Термогазодинамическая модель факела топлива для анализа рабочего процесса дизельного двигателя Кулаков Владимир Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Прозлемы исследования терм0га30динамики рабочего прщесса дизельного двигателя

1.1. Развитие методов расчета тепловых процессов в дизеле . 12

1.2. Формирование и развитие факела топлива - физическая основа объемно-струйного смесеобразования и сгорания 15

1.3. Выводы. Задачи исследования 22

2. Математическая модель развития и сгорания 24

2.1. Уравнения газовой динамики в интегральной форме . 24

2.2. Уравнения состояния и внутренняя энергия . 27

2.3. Кинетика горения топлива 28

2.4. Перенос массы, импульса и энергии 30

2.5. Испарение топлива 31

2.6. Математическая форма модели факела 37

Выводы 41

3. Численный метод исследования развития и сгорания шсела 42

3.1. Построение расчетной сетки и расчетного объема . 42

3.2. Вычисление потоков масс, импульса и энергии через грани расчетного объема 45

3.3. Преобразование уравнений газовой динамики к расчетному виду 46

3.4. Решение расчетной системы уравнений 51

3.5. Начальные значения параметров факела 55

3.6. Результаты численного исследования развития и сгорания факела 57

Выводы 70

4. Расчет по жкепу тошшва типовых процессов в камере сгорания дизеля пш вйхрекішернш смесеобразовании 71

4.1. Условия в камере сгорания к моменту начала впрыска 72

4.2. Связь начальных значений параметров факела с условиями впрыска топлива 75

4.3. Граничные условия развития факела (параметры заряда на боковых границах факела) 77

4.4. Динамика факела и расчет испарения, тепловыделения и изменения состава газов в камере сгорания 79

4.5. Расчет изменения во времени параметров газов в камере сгорания дизеля 81

4.6. Результаты численного исследовашш с применением ЭВМ развития тепловых процессов в камере сгорания дизеля 84

4.7. Определение показателей эффективности расчетных циклов 95

4.8. Расчетное моделирование и исследование процесса сгорания в опытном дизеле с вихрекамерным

смесеобразованием 101

Выводы 109

5. Основные выводы по работе

Приложения

• Развитие методов расчета тепловых процессов в дизеле
• Уравнения газовой динамики в интегральной форме
• Построение расчетной сетки и расчетного объема
• Условия в камере сгорания к моменту начала впрыска

Введение к работе

Повышение технического прогресса двигателестроения является непременным условием выполнения одних из основных компонентов главной задачи одиннадцатой пятилетки: перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны, всемерной, экономии всех видов ресурсов, повышения качества работы. Действительно, двигатели внутреннего сгорания, особенно дизели, являются источниками энергии в морском и речном судостроении, сельскохозяйственном машиностроении, железнодорожном тепловозостроении, большегрузом автомобилестроении. Они и в дальнейшем будут определять технико-экономические показатели машин: производительность, экономичность, сроки службы, надежность, эргономичность; а также экологические характеристики: шумность, вибрацию, токсичность. Основную роль в улучшении показателей двигателей внутреннего сгорания играет рациональная организация рабочего процесса, включающего топливо-подачу, смесеобразование, воспламенение и сгорание.

В задачах одиннадцатой пятилетки указано на необходимость расширения научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники в целях повышения эффективности практического использования достигнутых результатов. Необходимы еще более углубленные научные исследования рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания на основе общих физических законов, с привлечением современных методов вычислительной математики и применением быстродействующих ЭВМ, дающих возможность исследовать конкретные физико-математические модели и получать практические результаты.

Изучение процессов смесеобразования и сгорания в дизельном двигателе базируется на экспериментальном и теоретическом исследовании развития факела топлива, где анализируется вся совокупность явлений, протекающих при развитии и сгорании сіакела: распад впрыскиваемой струи топлива на капли, испарение капель, взаимодействие факела с газами в камере сгорания, образование, воспламенение и сгорание тоштво-воздушной смеси. К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный и теоретический материал в изучении этих процессов, поэтому актуальны и своевременны исследования, обобщающие полученные результаты в физико-математических моделях факела топлива. Сложность математических формулировок моделей, обусловленная взаимосвязанным протеканием процессов в факеле, приводит к необходимости применения современных вычислительных методов и быстродействующих ЭВМ. Это позволяет не только численно решать модели и исследовать физико-химические процессы, но и получать практические результаты. Данному направлению, построению физико-математических моделей факела и процесса сгорания, уделено особое внимание советскими учеными Свиридовым 10.Б., Астаховым И.В., Петриченко P.M., Воиновым А.Н., Лебедевым О.Н. и др. Такой подход к описанию и расчету смесеобразования и сгорания в дизеле осуществлен в настоящей диссертационной работе, проводимой в соответствии с приказом МинВУЗа УССР В 322 от 6 июня 1980 года, задание 04.07 - "Разработка и соверпенствование математи-ческих моделей рабочих процессов в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания".

Целью диссертационной работы является разработка термогазодинамической модели факела топлива, его развития и сгорания для анализа рабочего процесса и количественной оценки параметров в реальных условиях камеры сгорания с учетом вида смесеобразования, нагрузочных и скоростных режимов работы дизеля. Для этого решались следующие основные задачи: I. Построить термогазодинамическую модель факела топлива на основе математического описания единого комплекса физико-химических процессов.

2. Осуществить численное решение модели и провести на ЭВМ расчеты развития и сгорания факела топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания с реальными условиями протекания рабочего процесса.

3. Разработать алгоритм расчета по факелу топлива процесса сгорания в дизеле для анализа рабочего процесса при различных видах смесеобразования и эксплуатационных режимах работы.

4. Провести анализ результатов, установить разрешающие возможности разработанной методики моделирования процесса сгорания и дать рекомендации по ее практическому применению.

Научную новизну диссертационной работы представляют следующие результаты:

1. Обобщены в единую математическую модель уравнения, опи сывающие по отдельности составляющие комплекса физико-химических процессов в факеле, на основе применения законов сохранения массы, импульса и энергии, записанных в форме интегральньк уравнений газовой динамики для потока многокомпонентной смеси в факеле.

2. Разработано и осуществлено на ЭВМ решение полученной в результате обобщения термогазодинамической модели факела топлива, и проведен численный анализ развития и сгорания дизельного факела, на основе чего установлены закономерности взаимосвязанного протекания физико-химических процессов: тепломассообмена и переноса импульса внутри факела и между факелом и газами в камере сгорания, испарения комплекса капель, реакции окисления топлива кислородом, сопровождающейся выделением тепла и изменением концентраций компонент факела.

3. Разработан алгоритм расчета процесса сгорания в дизеле на основе параллельного и взаимосвязанного расчета развития и сгорания факела и изменения состояния газов в переменном объеме цилиндра, с учетом теплоотвода в стенки. Результатами расчета являются характеристики тепловыделения и испарения, давление, температура и состав газов в цилиндре, выводимые в виде функций от угла поворота коленчатого вала двигателя.

4.Проведено численное моделирование по факелу топлива процесса сгорания в дизелях ЯШ Ч 13/14 и МеШ Ч 7,2/6. Сравнение результатов моделирования с опытными данными подтвердило достоверность сформулированной термогазодинамической модели факела. Установлена зависимость процесса сгорания от интенсивности тепломассообмена, угла опережения впрыска топлива, частоты вращения коленчатого вала. Проведен анализ влияния указанных параметров на ход характеристики тепловыделения, давление и температуру газов в цилиндре.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов состоит в том, что смоделирован процесс сгорания опытного вихре-камерного дизеля МеШ 14 7,2/6, разработанного Ворошиловградским машиностроительным институтом совместно с Мелитопольским моторным заводом в соответствии с Постановлениями ГКНТ при СМ СССР 15 375 от 8.09.80 г. и № 178 от 3.05.79 г. и координационным планом МинВУЗа УССР (задание СВ.07 - "Создание совместно с промышленностью экономичного высокооборотного дизеля МеШ"). Результаты моделирования использованы при прогнозировании особенностей процесса сгорания, планировании стендовых испытаний для доводки рабочих процессов топливной аппаратуры и дизеля. Разработки и результаты стендовых испытаний опытных образцов .дизеля размерности МеШ 245 и топливной аппаратуры внедрены на Мелитопольском моторном заводе для создания развернутого дизеля МеШ.

Диссертационная работа выполнена под научным руководством доктора технических наук профессора Барсукова СИ. и при постоянном научном консультировании кандидата технических наук доцента Муравьева В.П. по вопросам разработки алгоритмов и частных методик. 

Развитие методов расчета тепловых процессов в дизеле

Основы теоретического исследования циклических тепловых процессов заложил С. Карно, который в 1824 г. рассмотрел идеальный термодинамический цикл паровой машины. После паровых машин термодинамические циклы стали осуществляться в первых тепловых двигателях: цикл Н.Огто - сгорание при постоянном объеме; цикл Р.дизеля со сгоранием при постоянном давлении; смешанный цикл Тринклера-Са-бате - сгорание при постоянном объеме и постоянном давлении.

Разработка первых тепловых двигателей стимулировала теоретические исследования их рабочих процессов. В 1906 году профессором В.И. Гриневецким был предложен метод расчета теплового цикла двигателя. В основе этого метода, называемого сейчас методом классического теплового расчета, в развитии которого прзнимали участие многие советские исследователи, лежит расчет термодинамического цикла в цилиндре с учетом изменения состава и свойств рабочего тела. Посредством коэффициента тепловыделения этод метод учитывает потери тепла в стенки, неполноту сгорания и тепло, затрачиваемое на диссоциацию компонент топливно-воздушной смеси. Среднее индикаторное давление и КПД цикла, найденные по этому методу, удовлетворительно соответствуют значениям, определяемым по индикаторным диаграммам.

В рамках классического теплового расчета академик Б.С. Стеч-кин показал [55] , что закон сообщения тепла рабочему телу определяет КПД рабочего цикла двигателя. Тем самым была отмечена важность закона тепловыделения при определении характеристик рабочего процесса. Кроме того, в отличие от классического теплового расчета, задание закона тепловыделения в виде функции времени, дает подход к рассмотрению тепловых процессов в камере сгорания в зависимости от времени и угла поворота коленчатого вала двигателя.

Среди предлагаемых впоследствии методов расчета процесса сгорания во времени следует отметить метод, разработанный и осуществленный К. Нейманом [38J , который применил в своих исследованиях представление о бимолекулярной химической реакции и положил в основу нахождения скорости сгорания топлива в дизелях кинетическое уравнение бимолекулярной реакции в форме Аррениуса =s-4d4c cLCT - = Є П-1Г --/ 0,, (i.i) cleT где - , — скорость уменьшения концентрации топлива в цилиндре; С0г - концентрация кислорода в цилиндре; S - число соударений реагирующих молекул в единицу времени в единице объема; т - энергия активации реагирующих молекул; Цг - универсальная газовая постоянная; 1 - абсолютная температура. Принятый К. Нейманом бимолекулярный механизм реакции окисления топлива и допущение, что впрыснутое топливо мгновенно испаряется и равномерно распределяется по всему объему камеры сгорания, сильно упрощают действительные процессы в дизеле. Но для своего времени те ори К. Не шана явилась наиболее существенной попыткой использовать при разработке физико-химической модели сгорания представления о реальных элементарных процессах, протекающих в камере сгорания дизеля.

Несмотря на то, что предлагаемые различными исследователями [18,19,26Jаналитические формулы для скорости сгорания топлива не имеют общего характера, на их основе были разработаны методы расчета изменения давления, температуры и других характеристик рабочего цикла в зависимости от угла поворота коленчатого вала[12,19]. В качестве характерного примера, приведем основные полонення расчета, разработанного И.И. Бибе [12] . Для расчета давления он применил уравнение первого закона термодинамики сЦ = Суо1т iu, (1.2) где OLOb - изменение теплоты, идущее на увеличение внутренней энергии рабочего тела и совершение работы; Cv - теплоемкость рабочего тела при постоянном объеме; CLT - приращение температуры рабочего тела за время df, Р - давление газов, АтГ - изменение удельного объема рабочего тела за время dT. Зависимость объема рабочего тела в цилиндре от угла поворота коленчатого вала для нормального кривошипно-шатунного механизма определяется уравнением

Уравнения газовой динамики в интегральной форме

В соответствии с качественной картиной, описанной в 1.2., факел топлива рассматривается как нестационарный, турбулентный поток, состоящий из испаряющихся капель, пронизывающих поток многокомпонентной смеси газов, реагирующих между собой. плотность, скорость и удельная тепловая внутренняя - энергия і -и компоненты в элементе U2 Ы). л; в моменты времени Т + LX nt- М соответственно; Ь ft - объемная мощность источника или стока массы I -й компоненты при химических реакциях и испарении; ГЬ - единичный нормальный внешний вектор к элементу dS поверхности & $ , ограничивающей объем uV; векторы потоков массы, импульса и энергии, перено-РI у L - симык І -и компонентой на элементе 0LS за счет молекулярной и турбулентной дифдузии; плотность, скорость, удельная тепловая внутренняя ТТ. . . і - энергия и парциальное давление I -й компоненты на

Pi I элементе AS поверхности Ь$ ) ДРК,АЕК- объемная мощность источников импульса и энергии, передаваемых потоку смеси газообразных компонент от испаряющегося потока капель; Р - давление в смеси газообразных компонент дакела; объемная мощность стока и источника энергии за счет испарения и горения топлива в факеле. Преобразуем интегральные уравнения к виду, более пригодному для численного интегрирования. Интегралы nouV и&$ в их правых частях считаем не зависящими от времени и вычисленными в момент времени X. При этом, расчетный промежуток Ь Ь выбираем настолько мальм, чтобы с достаточной точностью применять теорему о среднем значении интеграла по CLt. Тогда интегралы по времени в правых частях уравнений заменяются умножением на 2 &Т . Разделив (2.2) на 2ь% получаем расчетное уравнение сохранения массы1 -й компоненты:

Аналогично преобразуются уравнения сохранения импульса и энергии. Результат их преобразования представлен ниже уравнениями (2.53), (2.54) в системе уравнений, являющейся математической моделью факела.

Для интегрирования уравнений газовой динамики необходимо определить способ нахождения всех членов этих уравнений.

Исследования кинетики горения углеводородов проводятся в настоящее время по двум направлениям. В отличие от первого, в котором анализируется последовательность элементарных химических реакций при соединении углеводородов с кислородом, в данной модели принята концепция другого направления, в котором теоретически и экспериментально изучается горение углеводородов с использованием суммарных кинетических формул [63]. Для расчета скорости экзотермической реакции окисления топлива кислородом в данном исследовании применяется кинетическое уравнение в форме Аррениу-са - количество топлива, сгоревшего в единицу времени в единице объема; А.т - постоянная; Р 0 - плотности газообразного топлива и кислорода; _ " п - порядки реакции по топливу и кислороду;

Ет - эффективная энергия активации реакции окисления. При сгорании & Р топлива расходуется кислород в количестве: »&»-" » Л» . 2л2 где с0 - количество кислорода (в кг), необходимое для полного сгорания I кг топлива. Знак минус показьвает, что А Р0 является объемной мощностью стока массы кислорода. При сгорании & J . кг топлива выделяется тепло в количестве: гдеН0 - высшая теплотворная способность топлива, которую можно найти по формуле Менделеева [2] , по известному фракционному составу топлива: Нв= [зА-,013- С + 425,6-Н-10,9 - СО - S)] 10 (Д / ), (2.14) где C+H + 0+J = I кг. При полном сгорании топлива продуктами реакции окисления являются углекислый газ СО г и пары водыНг0. Скорости их появления (объемные мощности источников) равняются [2]:

Построение расчетной сетки и расчетного объема

Для численного решения системы уравнений построим расчетную сетку с помощью набора полусфер с радиусаші.Хс=ДХс,2/йс,,...І.&ХС)... центр которых расположен в сопловом отверстии распылителя, и выходящих из него прямых линий, являющихся ребрами прямоугольных пирамид с углами АД, с при вертше (рис.3.1. а). Узлами расчетной сетки будут точки пересечения этих прямых с полусферами. Проиндексируем точки, лежащие на одной полусфере, индексом J в одном направлении и индексом К. в перпендикулярном первому направлении (рис.3.1.6). ИндексL нумерует узлы расчетной сетки в направлении радиуса полусфер (рис.3.1.а). Вьгчислешія будем проводить для расчетного объема А V образованного пересечением прямоугольном пирамиды с углами 2 А«ЛС пргі верійне с полусферами, радиусы которых равны(Ь-1)ДХй п(1Ч)дХс (inc.3.2). В дальнейшем полусферы с радиусами (L-1)АХС,L Д ХС , (1 1) Д X С нумеруются числами 1,2 и 3.

Целью расчетной методики является нахождение параметров потока в факеле на полусфере 3 по их известным значениям на полусферах I и 2. Для этого уравнения газовой динамики и другие уравнения исходной системы (2.52) - (2.84) записьюаем для расчетного объема &V . В уравнениях, полученных тшсим образом, неизвестными считаем параметры потока на полусфере 3. Решая уравнения относительно этих неизвестных, получаем формулы для нахождения параметров потока на полусфере 3 по параметрам потока на полусферах I и 2. По этим же формулам находим параметры потока на следующей полусфере (с радиусом "X +ЛХС) п0 найденным на предыдущем этапе расчета параметрам потока на полусферах 2 и 3. Проводя расчет по описанному алгоритму, задав параметры потока на двух начальных полусферах, находим их значения на всех последующих.

Для задания плотности j5 , удельной тепловой внутренней энергии i скорости тГ » давления и температуры в узлах расчетной сетки, введем соответствующие индексированные переменные .И(І,3,КАЕ(І,3,КД.),У(3,КД.,М),ї(заЦ.),Т(3,К,1), где I - номер газообразной компоненты; совокупность индексов (3,K,L ) задает конкретный узел расчетной сетки; М - номер составляющей скорости: М = I соответствует составляющей скорости на направление 0 , М = 2 - на направление К. , М = 3 - на направление I , причем, положительное значение составляющей скорости соответствует возрастанию пространственного индекса.

Используя принятые обозначения, умножая площади граней расчетного объема на значеьшя плотностей и перпендикулярных составляющих скорости в центрах граней, получаем потоки массы I -й компоненты через грани с центрами (3 1,К,2 ), (ОД -1,2) и (3,К.,2 1) соответственно:

Перенос массы, импульса и энергии за счет суммарной молекулярной и турбулентной диффузии вычисляетчя на основании уравнений Буссинеска. Например, три составляющие переноса импульса через грань с центром в узле ( 3 ,К+1,2) вычисляем на основании (2»68) по формуле PPU,K+i,2)=-l)ftRUK+M) Wt+WJ V&M.H) .mz) (3.8) где M - номер составляющей, принимающий значения I, 2 и 3; RR(3(K 1,2) - суммарная плотность газообразных компонент: RftUK+l,2j=I/UU,/CH,2). (3.9) і 3.3. Преобразование уравнений газовой динамики к расчетному виду Уравнения газовой динамики (2.52) - (2.54) записываются для расчетного объема dV (рис.3.2.). Значения параметров факела берутся в узлах расчетной сетки, лежащих в данном объеме. С помощью теоремы о среднем значении заменяем интегрирование по объему умножением величины объема на значение подинтегрального выражения, вычисленное в центре расчетного объема. Интегралы по поверхности д $ объема &V аналогично заменяются суммированием по всем граням потоков и переноса масс, импульса и энергии (подин-тегральных выражений, вычисленных в центрах граней и умноженных на площади этих граней). Уравнение (2.52) сохранения массы I -й компоненты, преобразованное к расчетному виду по описанной методике, записывается для объема АV с центром в узле (J ,К,2) расчетной сетки следующим образом:

Условия в камере сгорания к моменту начала впрыска

Впрыск топлива в камеру сгорания дизеля осуществляется в конце периода сжатия, когда давление и температура в цилиндре и камере сгорания возрастут до значений, при которых образующаяся в ходе впрыска топливно-воздушная смесь может самовоспламениться. Условия в камере сгорания в этот момент определяются состоянием свежего заряда, заполнившего объем цилиндра к моменту начала сжатия (моменту закрытия впускных окон), а также показателями процесса сжатия и количеством остаточных газов. Термодинамические условия в камере сгорания в момент начала сжатия однозначным образом описываются давлением ра , температурой Та , массой свежего заряда 1L и массой остаточных газов Мр. Связь этих параметров с параметрами окружающей двигатель среды и показателями процесса наддува выражается следующими формулами [2,56]: где Тк и Р - температура и плотность заряда после компрессора; &Т - подогрев заряда от стенок цилиндра; "$" - отношение теплоемкости остаточных газов к теплоемкости свежего заряда; Тг и Ур - температура и коэффициент остаточных газов;

Ка- учитывает наддув и падение давления пря впуске; Рср,ТСр - давление и температура окружающей двигатель среды; Рк - давление после компрессора; Пк - показатель политропы сжатия в компрессоре; 19 - коэффициент наполнения; Vb - рабочий объем цилиндра.

Зная давление и температуру в начале сжатия, нетрудно найти их величины в момент начала впрыска топлива [2,56 ]: Pen=Pa(Vo./V6„fl; (4.6) где ПІ - средний показатель политропы сжатия; Уь - определяемый по уравнению (1.3) объем рабочего тела для момента начала впрыска, задаваемого углом 4 gn. Так как рабочее тело состоит из остаточных газов и свежего заряда, поступившего из окружающего двигатель воздуха, то весовое содержание компонент рабочего тела можно задать в следующем общем виде: , ML«oLM3+ TLMr , (4.8) где 0 - доля 1-й компоненты (кислород, азот, пары воды, возможно другие примеси) в окружающем двигатель воздухе; 0 - доля 1-й компоненты в остаточных газах. В процессе сжатия полные массы компонент рабочего тела не изменяются и для плотностей газообразных компонент среды, в которую начинает впрыскиваться топливо, имеем следующее выражение: Jk-M-JV (4.9)

Существенное влияние на развитие факела, смесеобразование и сгорание оказывает вихревое движение заряда, особенно интенсивное в современных быстроходных поршневых двигателях. Для его описания введем поле скоростей, три составляющие которого задают в каждой точке камеры сгорания осевую "W0 , тангенциальную и радиальную "W-г составляющие скорости заряда. Представление о распределении в цилиндре поля скоростей и характере его изменения во времени и по углу порота коленчатого вала дают результаты работ [28,49,6i;62], на основании которых можно заключить, что вихревое движение становится существенным в конце такта сжатия,в периферийных областях камеры сгорания, а составляющие скоростей достигают значений Wt , г- 20 м/с,о 10 м/с.

Для задания в численных исследованиях изменений составляющих скорости вихревого движения по радиусу цилиндра (вихревой камеры) или по расстоянию в направлении оси цилиндра используем следующие простейшие зависимости: где"№п. „ - осевая или тангенциальная или радиальная составляющие; "Wj_, постоянные параметры, числовые значения которых "V2,XV, - выбираются так, чтобы значения"W„ г были.близки ftw к опытным данным; й „- - расстояние от оси или от головки цилиндра. Методика расчета динамики факела в вихревом потоке изложена ниже в параграфе 4.3. Автор не стремился точно смоделировать вихревое движение заряда, тем не менее, характер влияния движения заряда на динамику факела, смесеобразование и сгорание возможно установить в ходе численных исследований.