Analysis of syngas combustion process in piston engines

Abstract

The article examines the features of the combustion process of hydrogen-containing gas (syngas) in the working cylinder of a spark-ignition internal combustion engine. The main objective of the study is to evaluate the heat release parameters of syngas. To achieve this goal, an experimental investigation was conducted to assess the nature of syngas combustion and establish its regularity. The most significant result is the derivation of dependencies for determining the current value of the combustion characteristic index m and the combustion duration φz in Professor I.I.Vibe's heat release model for spark-ignition engines operating on syngas, with an air excess ratio α ranging from 1.0 to 2.2 and hydrogen content in the fuel composition varying between 30% and 100% by volume. The significance of the obtained results lies in the establishment of the variability of the combustion index m (ranging from 1.6 to 5.5) in Professor I.I.Vibe's semi-empirical heat release model, which more closely corresponds to the actual heat release law observed in experimental studies. The proposed dependencies for determining m and φz allow for accounting the specific features of the syngas combus-tion process in spark-ignition engines, thereby significantly improving the accuracy of determining the indicated pressure in the working cylinder (the relative root-mean-square error does not exceed 4.5%), which, in turn, enhances the accuracy of assessing the engine's energy and economic parameters. The results of this study can be applied in the design and construction of new spark-ignition engines running on alternative fuel.

Articolul ia în considerare caracteristicile procesului de ardere a gazului de sinteză în cilindrul de lucru al unui motor cu ardere internă cu aprindere prin scânteie. Scopul principal al studiului din lucrare este de a estima parametrii degajării de căldură a gazului de sinteză. Pentru atingerea acestui scop au fost stabilite următoarele sarcini: pe baza unor studii experimentale, să se evalueze natura modificărilor în procesul de ardere a gazului de sinteză și să se stabilească regularitatea acestuia. Rezultatul cel mai semnificativ este obținerea de dependențe pentru determinarea valorii curente a indicelui caracteristic de ardere m și a duratei de ardere φz în modelul de degajare de căldură al profesorului I.I.Vibe pentru motoarele cu aprindere prin scânteie care funcționează pe gaz de sinteză cu intervalul de variație a excesului de aer. raportul α 1,0...2,2 și conținutul de hidrogen din combustibil între 30...100 % în volum. Semnificația rezultatelor obținute constă în faptul că a fost stabilită variabilitatea indicelui de ardere m (interval de modificare 1,6...5,5) în modelul semiempiric de degajare de căldură al Prof. I.I.Vibe, ceea ce este mai în concordanță cu legea reală a degajării căldurii în studiile experimentale. Dependența propusă pentru determinarea m și φz permit luarea în considerare a particularităților procesului de ardere a gazului de sinteză în motoarele cu aprindere prin scânteie și astfel crește semnificativ precizia determinării presiunii indicatorului în cilindrul de lucru (eroarea relativă medie pătrată nu depășește 4,5 %), ceea ce afectează, la rândul său, acuratețea estimarii parametrilor de funcționare a motorului.

В статье рассмотрены особенности процесса сгорания водородосодержащего газа (синтез-газа) в рабочем цилиндре двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Основной целью исследования в работе является оценка параметров тепловыделения синтез-газа. Для достижения поставленной цели были поставлена задача – на базе экспериментальных исследований оценить характер изменения процесса сгорания синтез-газа и установить его закономерность. Наиболее существенным результатом является получение зависимостей для определения текущего значения показателя характера сгорания m и продолжительности сгорания φz в модели тепловыделения профессора И. И. Вибе для двигателей с искровым зажиганием, работающих на синтез-газе с диапазоном изменения коэффициенте избытка воздуха α 1.0...2.2 и содержания водорода в составе топлива в пределах 30...100 % по объему. Значимость полученных результатов состоит в том, что установлено переменность показателя сгорания m (диапазон изменения 1.6…5.5) в полуэмпирической модели тепловыделения профессора И. И. Вибе, что в большей степени соответствует реальному закону тепловыделения при экспериментальных исследованиях. Предложенные зависимости для определения m и φz позволяют учесть особенности процесса сгорания синтез-газа в двигателях с искровым зажиганием и тем самым значительно повысить точность определения индикаторного давления в рабочем цилиндре (относительная среднеквадратичная погрешность не превышает 4.5 %), что в свою очередь отображается на точности оценки энергетических и экономических параметров работы двигателя. Полученные результаты исследований могут быть использованы при проектировании и конструировании новых двигателей с искровым зажиганием, работающих на альтернативном топливе, или конвертации уже существующих, а также для уточнения математической модели процесса сгорания таких программ как Lotus engineering software, Siemens, AVL Boost, Ricardo WAVE и GT-Power.