Введение к работе
Актуальность работы.
Топливная экономичность является ключевым показателем качества поршневых двигателей внутреннего сгорания (далее ПДВС), определяющим уровень их эффективных и экологических показателей. Одним из наиболее перспективных способов повышения топливной экономичности и снижения токсичности выбросов ПДВС с искровым воспламенением является переход на качественное регулирование нагрузки. Усилия многих лабораторий повсюду в мире направлены на решение этой проблемы. К настоящему времени достигнута стабильная работа двигателей с коэффициентом избытка воздуха на уровне 3-3,5, что недостаточно для качественного регулирования во всем диапазоне нагрузок.
На кафедре ДВС УГАТУ в течение ряда лет разрабатывается новый рабочий процесс, обеспечивающий бездетонационное сгорание бензинов, дизельного топлива, спиртов и их смесей с водой в условиях высоких степеней сжатия с качественным регулированием нагрузки. Рабочий процесс базируется на впрыске в камеру сгорания топливовоздушной струи и ее воспламенении свечой зажигания на периферии топливовоздушного факела. Этот процесс получил наименование унифицированного рабочего процесса (далее УРП). Обеспечение стабильных (по концентрации топлива и газодинамическому состоянию заряда) условий воспламенения является условием реализации процесса. К настоящему времени двигатель с УРП обладает максимальным коэффициентом избытка воздуха на уровне 3,5.
В настоящем исследовании предложена и реализована быстросчетная методика моделирования течения двухфазной струи для расчета концентрационных полей в камере сгорания ПДВС, позволившая определить влияние различных факторов на условия воспламенения топливовоздушной струи и на этой основе предложить техническое решение, обеспечивающее стабильное воспламенение различных топлив во всем диапазоне нагрузок в условиях качественного регулирования нагрузки. Актуальность настоящего исследования определяется тем, что методика моделирования делает возможным на ранних этапах проектирования получение точных и надежных прогнозов облика камеры сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи для реализации в нем качественного регулирования нагрузки ота»1доа»5-6.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является расширение концентрационного диапазона устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи для обеспечения качественного регулирования в диапазоне нагрузок от полной до холостого хода.
В соответствии с целью формулировались задачи исследования: 1. Обосновать и разработать методику моделирования течения двухфазной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи.
Используя методику моделирования течения двухфазной струи, рассчитать камеру сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом с целью создания оптимальных условий в области свечи зажигания для воспламенения топливовоздушнои струи в диапазоне значений среднего по объему камеры сгорания коэффициента избытка воздуха ота«1доос«5-6.
Экспериментально подтвердить эффективность прогнозных технических решений по исполнению камеры сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом, направленных на стабилизацию необходимого коэффициента избытка воздуха и скорости струи в области свечи зажигания и реализацию качественного регулирования в диапазоне нагрузок от полной до холостого хода при работе двигателя на бензине и дизельном топливе.
Методы исследования. При выполнении работы использованы следующие методы исследования:
методы математического моделирования процессов в сложных технических системах, включая методы численного решения систем обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных;
экспериментальные исследования на полноразмерных ПДВС.
Исследование носило расчетно-экспериментальный характер. Математические модели процессов течения двухфазной струи в камере сгорания ПДВС проверялись на достоверность сравнением прогнозируемых показателей с экспериментальными данными, полученными на полноразмерном ДВС.
Научная новизна.
Разработана методика моделирования течения двухфазной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением, позволяющая рассчитывать течение двухфазных сверхзвуковых струй.
Выявлены закономерности влияния геометрии камеры сгорания, углов опережения впрыска и зажигания, цикловой дозы топлива, среднего по объему камеры сгорания топливовоздушного соотношения и иных параметров на воспламеняемость топливовоздушнои струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением.
Предложен метод стабилизации концентрации топлива и скорости струи в области свечи зажигания, заключающийся в размещении соосно струе предкамеры, что позволило впервые в двигателях с искровым воспламенением реализовать устойчивое воспламенение топливовоздушнои смеси и качественное регулирование нагрузки в диапазоне от полной до холостого хода при работе на бензине и дизельном топливе.
Практическая ценность.
Разработанная методика, а также результаты расчетных исследований внедрены в учебный процесс УГАТУ (г. Уфа). Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно позволяют:
1. Повысить точность расчета распределения концентрации топлива в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым вое-
пламенением топливовоздушной струи и на этой основе прогнозировать облик камеры сгорания двигателя.
2. Расширить концентрационный диапазон устойчивого воспламенения
топливовоздушной смеси и на этой основе разрабатывать перспективные
двигатели с качественным регулированием нагрузки.
3. Улучшать характеристики двухтактных и четырехтактных ПДВС
при проектировании и доводке для удовлетворения требованиям экономич
ности и токсичности выбросов.
На защиту выносится:
Методика моделирования течения двухфазной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи.
Метод стабилизации концентрации топлива и скорости струи в области свечи зажигания, заключающийся в размещении соосно струе предкамеры. Использование предкамеры позволяет расширить диапазон устойчивого воспламенения топливовоздушного заряда в двигателе с непосредственным впрыском и искровым воспламенением до а « 5 - 6 при работе на бензине и дизельном топливе.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:
применении признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, современного математического аппарата;
корректном использовании фундаментальных уравнений механики жидкости и газа и теории рабочих процессов;
сопоставлении результатов расчетов с данными экспериментов на реальных ПДВС в стендовых условиях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на V-й всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010), на всероссийских молодежных научных конференциях «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2009, 2010, 2011), на V-й и VI-й международных научно-практических конференциях STAR-20X0 и STAR-20W «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности» (г. Н.Новгород, 2010, 2011).
Личный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи работы сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 2007 по 2011 годы.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах, в том числе в 2 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, приложения и списка литературы. Содержит 168 страниц машинописного текста, включающего 166 рисунков, 14 таблиц и библиографический список из 90 наименований.
Похожие диссертации на Расширение концентрационного диапазона устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе с унифицированным рабочим процессом
