METHOD FOR INCREASING THE UNIFORMITY OF THE GAS-AIR MIXTURE IN INTERNAL COMBUSTION TRANSPORT ENGINES

Aleksei L. Penkin; Sofya A. Metlyakova

doi:10.12731/2227-930X-2023-13-1-137-158

Aleksei L. Penkin Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет https://orcid.org/0000-0003-1612-7906
Sofya A. Metlyakova Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

DOI: https://doi.org/10.12731/2227-930X-2023-13-1-137-158

Ключевые слова: газовый двигатель, метан, однородная газовоздушная смесь, коэффициент однородности, турбулизатор

Аннотация

Повышение однородности газовоздушной смеси в газовых транспортных двигателях позволяет обеспечить более полное сгорание топлива, снизить его удельный эффективный расход и токсичность отработавших газов. Известны способы повышения однородности, однако нет обобщения их принципов и применимости для различных двигателей. В статье проведен анализ существующих способов, выявлены их недостатки. Разработан способ повышения однородности газововоздушной смеси в газовых транспортных двигателях через управление положением струи газового топлива в потоке поступающего воздуха. Описана зависимость для управления положением струи газа в потоке воздуха. Проанализированы результаты экспериментов, выполненные средствами компьютерного моделирования, при центральной и распределённой подаче газа с различным давлением газа и воздуха. При проведении экспериментов определялся коэффициент однородности газововоздушной смеси. Отдельно оценивается глубина проникновения струи газового топлива в поток поступающего воздуха. На основании результатов моделирования была обоснована действенность способа.

Цель – разработка способа повышения однородности газовоздушной смеси в транспортных двигателях внутреннего сгорания.

Метод или методология проведения работы. В работе применялось моделирование движения струи метана в потоке воздуха методом конечных элементов.

Результаты. Сформулирован и обоснован способ повышения однородности газовоздушной смеси при использовании впускного давления газа как основного изменяемого параметра.

Область применения результатов. Полученные результаты целесообразно применять для повышения экономичности и экологичности газовых транспортных двигателей.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Aleksei L. Penkin, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

доцент кафедры «Технической эксплуатации транспортных средств, кандидат технических наук

Sofya A. Metlyakova, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

аспирант 1-го курса кафедры «Технической эксплуатации транспортных средств»

Литература

Список литературы

Батурин В.В. Воздушные завесы / В.В. Батурин, И.А. Шепелев // «Отопление и вентиляция». 1936. № 5.

Безменов В.Я. Нестационарные течения в ударной трубе переменного сечения / В. Я. Безменов. Москва : Бюро науч. информации ЦАГИ, 1959. 37 с.

Варганов И.С. О кривизне оси струи в сносящем потоке / И.С. Варганов ; Киевское высш. инж. авиац. воен. училище ВВС. – Киев : [б. и.], 1964. 10 с.

Волынский М.С. О форме струи жидкости в газовом потоке / М.С. Волынский. М. : Оборонгиз, 1958. 16 с.

Гиршович Т.А. Турбулентные струи в поперечном потоке / Т.А. Гиршович. М. : Машиностроение, 1993. 251 с.

Данилов Ю. М. Оценка эффективности перемешивания жидких компонентов в малогабаритных трубчатых турбулентных аппаратах / Ю.М. Данилов, А.Г. Мухаметзянова, Р.Я. Дебердеев [и др.] // Теоретические основы химической технологии. 2011. том 45. № 1. C. 81-84.

Иванов Ю.В. Уравнение траекторий струй острого дутья / Иванов Ю.В. // Котло-турбостроение. 1952. №8.

Мухаметзянова А.Г. Методы вычислительной гидродинамики при оценке эффективности статических смесителей насадочного типа / А.Г. Мухаметзянова, К.А. Алексеев // Математические методы в технике и технологиях. ММТТ. 2019. Т. 10. С. 9–11.

Патент № 2731558 Российская Федерация, МПК F02B 43/02 (2006.01), F02B 43/04 (2006.01), F02B 43/06 (2006.01), F02B 43/12 (2006.01), F02D 19/02 (2006.01), F02M 21/02 (2006.01). Способ подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания : № 2019137447 : заявл. 20.01.2019 : опубл. 04.09.2020 / Шишков Владимир Александрович ; Заявитель Шишков Владимир Александрович.

Теория турбулентных струй / Г.Н. Абрамович, Т.А. Гиршович, С.Ю. Крашенинников [и др.] ; под ред. Г. Н. Абрамовича. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Наука, 1984. 716 с.

Фарахов, Т.М. Оценка эффективности статических смесителей насадочного типа / Т.М. Фарахов, А.Г. Лаптев // Вестник казанского государственного энергетического университета. 2011. № 4. С. 20-24.

Форма струи в сносящем потоке / Я.М. Визель, И.Л. Мостинский. – М. : [б. и.], 1964. 74 с.

Ховах М.С. Автомобильные двигатели : Теория, расчет и конструкция двигателей внутреннего сгорания : [Учебник для автомоб.-дор. техникумов] / М.С. Ховах, Г.С. Маслов. 2-е изд., перераб. и доп. Москва : Машиностроение, 1971. 456 с.

Чаусов Ф.Ф. Отечественные статические смесители для непрерывного смешивания жидкостей / Ф.Ф. Чаусов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009. № 3. С. 11-14.

Шандоров Г.С. Истечение из канала в неподвижную и движущуюся среду/ Г.С. Шандоров // ЖТФ. 1957. Т. 27. № 1. C. 92-108.

Шепелев И.А. Основы расчета воздушных завес, приточных струй и пористых фильтров / И. А. Шепелев.М. : Стройиздат, 1950.

Al-Sulttani A.O. A Computational Fluid Dynamics Study to Optimize the Orientation of the Syngas Injector for Reducing Environmental Pollution and Performance Improvement of a Bi Engine. International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering, 2020, Vol. 20, № 05, pp. 164-174.

Jemni M.A., Kantchev G., Abid M.S. Intake manifold design effect on air fuel mixing and flow for an LPG heavy duty engine. International journal of energy and environment, 2012,vol. 3,issue 1,pp. 61-72.

Mahmood H., Adam N., Sahari B., Masuri S.U. Design of Compressed Natural Gas-Air Mixer for Dual Fuel Engine Using Three-Dimensional Computational Fluid Dynamics Modeling. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2017, vol. 14, pp.1-18. DOI: 10.1166/jctn.2017.6605.

Muhssen H.S., Masuri S.U., Sahari B., Hairuddin A.A. Computational Fluid Dynamics Investigation of Air-Gas Pre-Mixing Controller Mixer Designed for CNG-Diesel Dual-Fuel Engines. CFD letters, 2019, vol. 11, issue 6, pp. 47-62.

Noor M.M., Kadirgama K., Devarajan R., Rejab R., Nik Mohamed, N., Yusaf T.F. Development of A High Pressure Compressed Natural Gas Mixer for A 1.5 Litre CNG-Diesel Dual Engine. Paper presented at the National Conference on Design and Concurrent Engineering,2008,28-29 Oct., Melaka. pp. 435-438.

Patent № 2017089042 World Intellectual Property Organization, IPC F02B31/00, F02M21/02, F02M21/04, F02M35/10. «Inlet channel device» : priority data 27.11.2015 : publication date 01.06.2017 / Kristen Marcus, Schmid Reinhard, Redlich Alexander, Magel Hans-Christoph; Applicant Bosch GMBH Robert. – 18 p.

Supee A., Mohsin R., Majid Z., Raiz M. Effects of Compressed Natural Gas (CNG) Injector Position on Intake Manifold towards Diesel-CNG Dual Fuel (DDF) Engine Performance. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering), 2014, 70:1, pp.107-115. DOI: 10.11113/jt.v70.2292.

Yusaf T.F., Baker, P., Hamawand I., Noor M.M. Effect of compressed natural gas mixing on the engine performance and emissions. International Journal of Automotive and Mechanical Engineering (IJAME), 2014, volume 8, pp. 1416-1429.

References

Baturin V.V. Vozdushnye zavesy [Air curtains] / V.V. Baturin, I.A. Shepelev // «Otoplenie i ventilyatsiya». 1936. № 5.

Bezmenov V.Ya. Nestatsionarnye techeniya v udarnoy trubepe remennogo secheniya [Unsteady flows in a shock tube of variable cross section] / V.Ya. Bezmenov. Moskva : Byuro nauch. informatsii TsAGI, 1959. 37 p.

Varganov I.S. O krivizne osi strui v snosyashchem potoke [On the curvature of the jet axis in a drifting flow] / I.S. Varganov ; Kievskoevyssh. inzh. aviats. voen. uchilishche VVS. – Kiev : [b. i.], 1964. 10 p.

Volynskiy M.S. O forme strui zhidkosti v gazovom potoke [On the shape of a liquid jet in a gas flow] / M.S. Volynskiy. M. : Oborongiz, 1958. 16 p.

Girshovich T.A. Turbulentnye strui v poperechnom potoke [Turbulent jets in cross flow] / T.A. Girshovich. M. : Mashinostroenie, 1993. 251 p.

Danilov Yu.M. Otsenka effektivnosti peremeshivaniya zhidkikh komponentov v malogabaritnykh trubchatykh turbulentnykh apparatakh [Evaluation of the efficiency of mixing liquid components in small-sized tubular turbulent apparatus] / Yu.M. Danilov, A.G. Mukhametzyanova, R.Ya. Deberdeev [i dr.] // Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii. 2011. tom 45. № 1. pp. 81-84.

Ivanov Yu.V. Uravnenie traektoriy struy ostrogo dut’y a[Equation of trajectories of sharp blast jets] / Ivanov Yu.V. // Kotlo-turbostroenie. 1952. №8.

Mukhametzyanova A.G. Metod yvychislitel’noy gidrodinamiki pri otsenke effektivnosti staticheskikh smesiteley nasadochnogo tipa [Methods of Computational Fluid Dynamics in Estimating the Efficiency of Packed-Type Static Mixers] / A.G. Mukhametzyanova, K.A. Alekseev // Matematicheskie metody v tekhnike i tekhnologiyakh. MMTT. 2019. T. 10. pp. 9–11.

Patent № 2731558 Rossiyskaya Federatsiya, MPK F02B 43/02 (2006.01), F02B 43/04 (2006.01), F02B 43/06 (2006.01), F02B 43/12 (2006.01), F02D 19/02 (2006.01), F02M 21/02 (2006.01). Sposob podachi gazovogo topliva v dvigatel’ vnutrennego sgoraniya [Method for supplying gas fuel to an internal combustion engine] : № 2019137447 : publication date 04.09.2020 / Shishkov Vladimir Aleksandrovich.

Teoriya turbulentnykh struy [Theory of turbulent jets] / G.N. Abramovich, T.A. Girshovich, S.Yu. Krasheninnikov [i dr.] ; pod red. G.N. Abramovicha. 2-e izd., pererab. i dop. M. : Nauka, 1984. 716 p.

Farakhov T.M. Otsenka effektivnosti staticheskikh smesiteley nasadochnogo tipa [Evaluation of the effectiveness of packed-type static mixers] / T.M. Farakhov, A.G. Laptev // Vestnik kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta, 2011. № 4. pp. 20-24.

Forma strui v snosyashchem potoke [The shape of the jet in the drifting flow] / Ya.M. Vizel’, I.L. Mostinskiy. – M. : [b. i.], 1964. 74 p.

Khovakh M.S. Avtomobil’nye dvigateli: Teoriya, raschet i konstruktsiya dvigateley vnutrennego sgoraniya [Automobile engines: Theory, calculation and design of internal combustion engines] : [Uchebnik dlya avtomob.-dor. tekhnikumov] / M.S. Khovakh, G.S. Maslov. 2-e izd., pererab. i dop. Moskva : Mashinostroenie, 1971. 456 p.

Chausov F.F. Otechestvennye staticheskie smesiteli dlya nepreryvnogo smeshivaniya zhidkostey [Domestic static mixers for continuous mixing of liquids] / F.F. Chausov // Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie. 2009. № 3. pp. 11-14.

Shandorov G.S. Istechenie iz kanala v nepodvizhnuyu i dvizhuyushchuyusya sredu [Outflow from a channel into a stationary and moving medium] / G.S. Shandorov // ZhTF. 1957. T. 27. № 1. pp. 92-108.

Shepelev I.A. Osnovy rascheta vozdushnykh zaves, pritochnykh struy i poristykh fil’trov [Fundamentals of Air Curtains, Air Jets and Porous Filters] / I.A. Shepelev. M. : Stroyizdat, 1950.

Al-Sulttani A.O. A Computational Fluid Dynamics Study to Optimize the Orientation of the Syngas Injector for Reducing Environmental Pollution and Performance Improvement of a Bi Engine. International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering, 2020, Vol. 20, № 05, pp.164-174.

Jemni M.A., Kantchev G., Abid M.S. Intake manifold design effect on air fuel mixing and flow for an LPG heavy duty engine. International journal of energy and environment, 2012, vol. 3, issue 1, pp.61-72.