Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Тенденции развития конструкции газовоздушного тракта и методов расчета двухтактных двигателей внутреннего сгорания 16
1.1. Анализ конструкции и особенностей процесса газообмена двухтактных двигателей внутреннего сгорания 17
1.2. Анализ уровня развития газодинамических методов расчета двигателей внутреннего сгорания 29
1.3. Выводы по главе
ГЛАВА 2. Описание математической модели расчета двигателя 63
2.1.. Исходная система дифференциальных уравнений 66
2.2. Описание расчетной схемы двигателя 70
2.3. Основные этапы расчета 73
2.4. Постановка граничных условий 98
2.5. Выводы по главе 2 108
ГЛАВА 3. Результаты исследования и верификации газодинамической модели двигателя 112
3.1. Постановка начальных условий расчета 112
3.2. Результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных 119
3.3. Методика расчета эффективных параметров работы двигателя внутреннего сгорания 145
3.4. Исследование влияния степени дискретизации расчетной области на результаты расчета 148
3.5. Результаты расчета внешней скоростной характеристики двигателя 156
3.6. Выводы по главе 3 165
ГЛАВА 4. Иллюстрация вычислительных возможностей математической модели по улучшению-конструкции газовоздушного тракта двухтактного двигателя 166
4. 1 Оценка эффективности процесса газообмена в двухтаїсгньїх двигателях с кривошипно-камерно и продувкой 177
4.2. Способы повышения эффективности процесса газообмена в двухтаїсгньїх двигателях с кривошипно-камерной продувкой 197
4.3. Оценка шумовых характеристик двигателя на этапе проектирования 220
4.4. Основные направления дальнейшего развития и практического использования трехмерной газодинамической модели двигателя 236
4.5. Выводы по главе 4 240
Общие выводы 242
Литература
- Анализ конструкции и особенностей процесса газообмена двухтактных двигателей внутреннего сгорания
- Исходная система дифференциальных уравнений
- Постановка начальных условий расчета
- Оценка эффективности процесса газообмена в двухтаїсгньїх двигателях с кривошипно-камерно и продувкой
Введение к работе
Более 130 лет двигатели внутреннего сгорания являются основой силовых
агрегатов, получивших широкое распространение в качестве относительно
простого, эффективного и надежного источника энергии в народном хозяйстве.
Эти двигатели в ближайшие десятилетия сохранят свою лидирующую позицию,
реальной конкуренции с другими мобильными источниками энергии у них не
ожидается. Особое место среди всех типов ДВС занимают двухтактные
двигатели. Общепризнанными преимуществами двухтактных ДВС являются:
лучшее, чем у четырехтактных отношение массы к мощности; относительная
простота конструкции; удвоенное число рабочих тактов за идентичный
временной отрезок в сравнении с четырехтактными. Однако у двухтактных
двигателей есть и недостатки. Такэ например, у бензиновых двухтактных ДВС с
іфивошипно-камерной продувкой это потери топливовоздушпой смеси при
продувке цилиндра и, связанный с этим, неизбежный повышеттпый расход
топлива и повышенный выброс токсичных веществ в атмосферу.
Открывающиеся в настоящее время новые технические возможности по
устранению выше названных недостатков, на фоне известных преимуществ,
приводят к тому, что интерес к двухтактным двигателям сегодня вновь
возрождается, и они становятся привлекательными как для инвесторов, так и
для производителей. Характерным примером является повышенный спрос на
сегодняшний день на средства малой механизации. В качестве источника
энергии в них используются двухтактные бензиновые двигатели. Потребность
народного хозяйства только в малогабаритных двигателях бензомоторного
инструмента составляет свыше полумиллиона штук в год. Наглядным
примером этому является программа выпуска отечественных малогабаритных
двигателей представленная на рис. 1Л. До развала СССР Пермский
машиностроительный завод выпускал более полумиллиона пил в год. Его продукция при этом пользовалась большим спросом.
1965 1970 1375 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Год
Рис. 1.1 Изменение динамики валового выпуска бензиномоторных пил ФГУП «Машзавод им. Ф.Э. Дзержинского» г. Перми
На сегодняшний день на внутреннем рынке России просматривается устойчивая тенденция приобретения отечественным пользователем двухтактных двигателей внутреннего сгорания импортного производства. Зарубежные аналоги при более высокой стоимости являются более экономичными, имеют меньший вес и токсичность выхлопа, производят меньше шума. Все это позволяет сделать вывод о том, что отечественные двухтаїстньїе ДВС еще не достигли предела совершенства, требуется развитие и оптимизация их конструкции. В качестве иллюстрации данного факта представлены технические характеристики отечественных и импортных бензиномоторных ггал? см. приложение I. Технические характеристики бензиномоторных пил предоставлены ведущим инженером-исследователем Пермского ФГУТТ «Машзавод им. Ф,Э. Дзержинского» Кудымовым Н.С. Данное предприятие являлось головным предприятием СССР по выпуску
беызиномоторных пил. Анализ табличных данных показывает, что для двигателей примерно одинакового рабочего объема «Урал-2ТЭ» и «Хускварна-288» удельная масса отечественного агрегата больше на 30-40%, удельный расход топлива больше на 15-20%, уровень шума больше на 5%. Если сравнивать двигатель бензиномоторной пилы «Дружба-4МЭ» с двигателем «Хускварна-288», то эта разница будет еще более значительной.
Основным вектором в тенденции развития двухтактных бензиновых двигателей в настоящее время остается поиск путей минимизации потерь свежего заряда при продувке [55, 171, 172, 179, 188, 201, 207, 211], В соответствии с международными нормами валовой выброс вредных веществ, например, ручным бензомоторным инструментом не должен превышать в 2002 году 130-240 г/кВтч. К 2008 году эта норма еще больше ужесточается и должна составлять 50-72 г/кВт-ч [211]. Для достижения поставленной цели используются различные пути усовершенствования конструкции двигателя: впрыск топлива [201, 211], комбинированные системы подачи топлива [55, 172], расслоение заряда [55, 201], установка катализаторов и т.д,.
Процесс газообмена в двухтактных двигателях имеет свою специфику и существенно отличается от газообмена четырехтактных. Для принудительного вытеснения продуктов сгорания из цилиндра двигателя б данном случае используется не поршень, а поступающий свежий заряд- Поэтому доводка газов оздушного тракта (ГВТ) двухтактного двигателя чрезвычайно сложна и трудоемка. Требуются большие объемы опытно-конструкторских работ, связанные с настройкой и изменением конструкции ГВТ' [172, 201], И с использованием только экспериментальных методов все это является чрезвычайно длительной и дорогой процедурой. Сокращению сроков разработки новых двигателей способствовало бы наличие достоверной и полной информации о сложных, нестационарных газодинамических процессах происходящих в их полостях. Общепризнанным и наиболее перспективным путем сокращения затрат в этом случае является использование
вычислительных технологии и ЭВМ- При этом сам вычислительный процесс при обеспечении должного уровня достоверности может рассматриваться как численный эксперимент и относится к экспериментально-теоретическим методам исследования [51].
Известные одномерные нестационарные методы расчета двигателя,
получившие широкое распространение в 60-90 годах [43, 80, 108, 144, 145, 146J,
не дают возможности воспроизводить в полном объеме сложную картину
газодинамических течений внутри двигателя. Полученные с их помощью
результаты расчета имеют низкую степень достоверности при моделировании
сложных отрывных течений во впускных и выпускных окнах, местах резкого
сужения и расширения потока, т.е. там, где имеет место течение газа через
местные сопротивления. В настоящее время создаются математические модели,
которые на достаточно высоком уровне описывают течение газа и
соответствующие рабочие процессы в отдельных элементах двигателя. Речь
идет о многомерных газодинамических моделях [3, 24, 126, 127. 128, 149, 166 и
др,]. В этих моделях в качестве граничных условий используются
экспериментальные данные [159, 181, 200] или данные, полученные из
расчетов по моделям более низкого уровня [153, 171, 172, 194]. При этом
возникают трудности методически правильной организации
экспериментальных продувок, проблемы математически правильного описания полученных граничных условий. Все это снижает достоверность получаемых расчетных данных. Существенно повысить эффективность доводки двигателя на этапе проектирования позволили бы пространственно-трехмерные математические модели сквозного расчета.
Исходя из этого существующую проблему, связанную с совершенствованием двухтактных двигателей, можно сформулировать как отсутствие высокоточных, эффективных математических моделей, позволяющих получать полную и достоверную картину о протекающих в их системах газодинамических процессах и позволяющих оптимизировать
конструкцию ГВТ двигателя на этапе проектирована с помощью численного эксперимента. Исходя из этого, можно утверждать, что работа по созданию пространственной математической модели двухтактного ДВС, позволяющей совершенствовать их технические характеристики является актуальной. Наибольшая отдача в данном случае может быть достигнута за счет использования современных методов математического моделирования в сочетании с традиционными экспериментальными методами исследований.
Актуальность данного направления научно-исследовательских работ отмечена на уровне Министерства образования РФ, Диссертационная работа выполнена при поддержке двух грантов Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук:
«Разработка математической модели рабочего процесса и процесса топливоподачи в двухтактном карбюраторном двигателе особо малого класса», грант №95-4.1-55 (1995-1996 г.)я научный руководитель HJB, Лобов;
«Численное исследование рабочего процесса в двухтактном одноцилиндровом двигателе внутреннего сгорания», грант № Т0О6.7-16 (2000-2001 г.) научный руководитель М.Ю, Егоров, ответственный исполнитель Н.В. Лобов.
В соответствии с изложенным, целью диссертационной работы является разработка трехмерной математической модели сквозного расчета двухтактного двигателя внутреннего сгорания, позволяющей улучшать и оптимизировать его технические характеристики.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Произведен анализ конструкции и особенностей газодинамических процессов в двухтактных двигателях.
Проведен обзор нестационарных математических моделей, используемых для расчетной оптимизации процессов в двухтактных ДВС, и обоснована целесообразность трехмерного моделирования. При этом двигатель
рассматривается как единый комплекс, включающий системы впуска и выпуска с глушителем, цилиндр с функциональными каналами и кривошипную камеру. 3, Произведен анализ основных численных методов решения задач газовой динамики, которые использовались и используются в настоящее время в качестве вычислительного «ядра» при построении математических моделей. Обоснован выбор оптимального метода расчета, отвечающего современным требованиям по быстродействию и точности, - метода Давыдова (метод крупных частиц -МКЧ).
А. Разработана и отлажена прикладная программа, позволяющая моделировать в трехмерной постановке нестационарное течение газа в двигателе с учетом теплоотдачи и тепловыделения в цилиндре при сгорании топлива.
5. Произведена оценка (верификация) созданной математической модели
двигателя с использованием имеющихся и полученных в процессе выполнения
диссертационной работы экспериментальных данных.
6. Исследованы структура и характер пространственных процессов,
происходящих в ДВС.
7, Разработана методика расчета показателей газообмена с учетом объемного
представления структуры потока с выходом на критерии оценки совершенства
конструкции двухтактного двигателя.
8, Выполнены расчетные работы и соответствующие проверочные
эксперименты по снижению уровня шума и повышению топливной
экономичности двигателя бензомоторной пилы "Урал-2Э".
Объектом исследования являлись двухтактные двигатели внутреннего сгорания и как частный случай, один из их наиболее типичных представителей - одноцилиндровый двухтактный карбюраторный двигатель с кривошипно -камерной продувкой для средств малой механизации.
Предметом исследования являлись закономерности, определяющие причинно - следственные связи между конструктивными параметрами двигателя, режимами сю работы и термо- газодинамическими процессами,
происходящими в цилиндре, кривошипной камере и системах впуска и выпуска.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивалась:
- использованием современного, поверенного высокоточного
оборудования для проведения испытаний и индицирования ДВС;
использованием метода Давыдова (МКЧ), базирующегося на основных законах сохранения массы, импульса и энергии, в качестве «ядра» расчетной модели двигателя;
- специальной многостадийной верификацией разработанной
математической модели двигателя.
Для проверки (верификации) модели вначале были проведены расчеты отрывного потока за уступом. Такой вид течения соответствует выходу затопленных струй из впускных и выпускных окон двигателя и относится к сложным видам пространственных течений, где при расчетах трудно обеспечить устойчивость и точность результатов. Затем были произведены расчеты двигателя А5-165а фирмы As-motor (Германия). Соответствующие эксперименты проводились автором на базе кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» IVK (Institut Verbrenmings und Krafliiiaschinen) технического университета ПІтутггарт. Запись давления велась одновременно в трех местах: в цилиндре, в кривошипной камере и системе выпуска при работе по внешней скоростной характеристике в диапазоне частот от 2500 до 5500 мин"1. Наконец, были проведены расчеты двигателя бензомоторной пилы «Урал-2Э». Для сравнения с расчетами использовались экспериментальные данные; полученные в ЩШИМЭ. На всех стадиях проверки модели получено хорошее согласование расчетных и экспериментальных результатов.
Практическая ценность диссертационной работы: заключается в разработанном математическом аппарате, созданном на его базе программном обеспечении и проведенных исследованиях, которые дают возможность конструировать и доводить двухтактные двигатели внутреннего сгорания с
меньшими временными и материальными затратами, позволяют совершенствовать их мощностные, экономицеские и экологические параметры.
Основные принципы построения математической модели двухтактного ДВС, такие как: способ постановки гранігчнмх условий иа подвижной непроницаемой и неподвижной "открытой" границе, учет параметров газообмена, реализация процесса сгорания и теплообмена и т.д., могут быть применены при проектировании двигателей внутреннего сгорания любого типа.
Основные результаты работы в виде программы и методики расчета внедрены на практике. Программа и методика расчета функционирования двигателя бензомоторной пилы с учетом неустановившегося трехмерного течения газа приняты государственным специализированным конструкторским бюро моторного инструмента (ГСКТБМЗТ) ФГУП «Машзавод им. Ф.Э. Дзержинского», г. Перми. Акт внедрения прилагается (ем. приложение 7).
Полученные в ходе выполнения диссертационной работы новые научные положения доложены и обсуждены на:
Международном семинаре «Modeling advanced process technology, expert and control systems of heat and mass transfer phenomena», July, 8-10, 1996, Ekaterinburg;
Всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование физико-механических процессов», Пермь, ПермГТУ, 1996-1997;
Международной НТК «Проблемы двигателестроения», Москва, МВТУ им. Баумана, 1997;
VTTI Международной ППК «Совершенствование мощностньга, экономических и экологических показателей ДВС», Владимир, ВлГУ, 2001;
Всероссийской НТК «Аэрокоемческая техника и высокие технологии -2002», Пермь, ПермГТУ, 2002;
Международной НТК «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения - 2003», Челябинск, ГОурГУ, 2003;
ЇХ Международной НПК «Фундаментальные н прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», Владимир, ВлГУ, 2003;
«Давыдовских чтениях», Москва, НАПН, 2002-2003 г.
По тематике диссертации опубликовано 26 научных работы, в т.ч. 5 работ опубликовано в изданиях одобренных ВАК, ] монография и 2 отчета по госбюджетной тематике (отчеты по грантам Министерства образования РФ).
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 276 страниц и содержит 118 рисунков (в том числе цветные изображения), 25 таблиц, список литературы из 211 наименований, 7 приложений.
Во введении дано краткое описание исследуемого класса двигателей внутреннего сгорания, обоснована актуальность данной темы исследований, представлены цели и задачи решенные в ходе выполнения диссертационной работы.
Анализ конструкции и особенностей процесса газообмена двухтактных двигателей внутреннего сгорания
Двухтактные двигатели внутреннего сгорания нашли широкое распространение в таких товарах и сферах народного хозяйства, в которых первоочередное значение имеет получение максимально возможной мощности с силового агрегата при его минимальном весе. Характерными примерами являются: мотоциклы и легкомоторная авиация, речные и морские суда, моторные лодки и скутера, гидроциклы и снегоходы, различный ручной и сельскохозяйственный бензомоторный инструмент, рис. 1.2,
Факторы, определяющие потери топлива, видны из баланса рабочего тела, протекающего через цилиндр двигателя. Составляющими топливного баланса являются следующие объемы: VCM - объем топливовозд тлной смеси, поступившей через впускной канал; VUMUr - объем смеси, попавшей в выпускную систему с отработавшими газами; Vr - объем остаточных газов в цилиндре после завершения газообмена; V2 - объем смеси после завершения газообмена; V„,c - объем продуктов сгорания; Vor - объем отработавших газов и смеси, поступивших в выпускную систему.
В дополнение к сказанному следует отметить, что в двухтактных карбюраторных ДВС чаще, чем в двигателях других типов, имеют место обратные течения газа через окна. Они ухудшают использование время -сечения окон и состав газа в каналах ГВТ. Обратные течения продуктов сгорания в продувочные каналы в начале периода продувки уменьшают КПД двигателя.
Альтернативой совершенствованию процесса газообмена в цилиндре, является увеличение количества продувочной смеси. Под коэффициентом избытка продувочной смеси щ понимают отношение количества рабочей смеси, поданной в цилиндр в процессе газообмена к количеству смеси, которое может поместиться в цилиндре при параметрах внешней среды [55]. При этом, безусловно, увеличивается степень очистки цилиндра, но и возрастает общее количество несгоревшего топлива, покинувшего цилиндр. Под коэффициентом использования продувочной смеси Т]и понимают отношение объема рабочей смеси, оставшейся в цилиндре, к объему, поданному в процессе газообмена. В итоге оптимальным будет считаться компромиссное решение, при котором достигаются; удовлетворительная продувка цилиндра и минимальные потери топливовоздушной смеси.
С учетом введенных обозначений можно записать формулу для расчета коэффициента наполнения двухтактного двигателя с кривошршно-камерной продувкой;
Несложно показать, что стремление повысить T}v не является самоцелью. Приведем известную формулу литровой мощности двигателя [55]: где г- тактиость двигателя; Н,/10 - низшая удельная теплота сгорания стеки ом етрической горючей смеси; ;;. /а - отношение индикаторного КПД к коэффициенту избытка воздуха, характеризующее качество протекания рабочего процесса; }]v - коэффициент наполнения: r/m - механический КПД:
рк - плотность заряда смеси перед началом сжатия в цилиндре. Согласно (1.1) можно выделить следующие пути увеличения удельной мощности двигателя: реализация двухтактного цикла, т.ег з=2; увеличение степени сжатия є, обеспечивающее повышение КПД и, следовательно щ повышение частоты вращения п коленчатого вала двигателя; непосредственное впрыскивание топлива (увеличение (г/у и г/г); использование газодинамических явлений во впускной, продувочной и выпускной системах двигателя (рост Т/у и рй)\ применение принудительной подачи заряда в цилиндры при осуществлении наддува (повышение і/уж рк).
Анализ табличных данных (см. приложение 1) показывает, что для создания современного, высокофорсированпого бензинового двигателя используют большинство из вышеназванных путей, В основе лежит двухтактный принцип работы, максимально возможная - ограничиваемая по верхнему пределу явлением детонации и проблемами запуска - степень сжатия
Исходная система дифференциальных уравнений
При построении математической модели двигателя были приняты следующие допущения: 1. Рабочее гело - совершенный газ (идеальный в термодинамическом смысле), который в разные моменты времени состоит из двух компонентов: свежего заряда и продуктов сгорания. 2. Шероховатость труб и каналов не учитывается. 3. Реальный процесс горения топлива заменен эквивалентным подводом тепловой энергии по закону Вибе И,И. ко всем ячейкам находящимся в камере сгорания. 4. Процесс подачи топлива карбюратором представляется квазистационарной моделью в виде фиксироваш-юго в процессе расчета соотношения расхода топлива к расходу воздуха, 5. Температура стенок цилиндра, каналов систем впуска и выпуска, а также глушителя, принимается постоянной, 6. Процесс теплообмена в цилиндре определяется по формуле Ньютона, при этом коэффициент теплопередачи рассчитывается по зависимости Вошни.
Основная идея метода крупных частиц (метода Давыдова) для решения задач газовой динамики заключается в расщеплении по физическим процессам исходной нестационарной системы дифференциальных уравнений, записанной в форме законов сохранения. Среда моделируется системой из жидких или газообразных элементов - крупных частиц, по форме совпадающих в данный момент времени с ячейкой эйлеровой сетки. Стационарное решение задачи, если оно существует (если оно не существует физически, в расчётах реализуется устойчивое нестационарное решение, адекватное физике исследуемого процесса), устанавливается практически в результате расчета, поэтому весь процесс вычислений состоит из многократного повторения шагов по времени. Расчет каждого временного шага (вычислительного цикла), в свою очередь, разбивается натри этапа: - эйлеров; - лагранжев; - заключительный. Рассмотрим каждый из этих этапов в отдельности;
а) эйлеров этап. Пренебрегаем всеми эффектами, связанными с перемещением элементарной ячейки (потока массы через границы ячеек нет), и учитываем эффекты ускорения жидкости лищь за счет сил давления; здесь для крупной частицы определяются промежуточные значения искомых параметров потока («эйлеровы» скорость и энергия);
б) лагранжев этан. При движении жидкости или газа вычисляются потоки массы через границы эйлеровых ячеек:
в) заключительный этап. Определяются в новый момент времени окончательные значения всех газодинамических параметров потока на основе законов сохранения массы, импульса и энергии для каждой ячейки и всей системы в целом на фиксированной расчетной сетке.
По существу, на первом этапе метода проводится чисто лагранжев расчёт -рассматривается изменение за время At импульса и энергии лагранжева элементарного объёма жидкости (крупной частицы), заключённого внутри данной эйлеровой ячейки (при этом граница объёма смещается относительно начального расположения). Второй этап характеризует перемещение расчётных ячеек относительно жидкости, здесь вычисляются эффекты переноса, учитывающие обмен между ячейками при их перестройке на прежнюю эйлерову сетку (моделируется движение потока массы через границы эйлеровых ячеек и находятся смещения расчётных точек). На третьем этапе метода происходит соответствующее перераспределение массы, импульса и энергии по пространству, что позволяет определить новое распределение гидродинамических параметров на первоначальной эйлеровой сетке (находятся изменения за время Дг параметров потока в элементарной эйлеровой ячейке, полученной возвращением лагранжева объёма в исходное положение).
Постановка начальных условий расчета
Для реализации алгоритма расчета по методу Давыдова вся расчетная область ДВС (см. рис.2.3) покрывалась фиксированной в пространстве эйлеровой расчетной сеткой, которая состояла из прямоугольных элементарных ячеек (крупных частиц) одинакового размера. Для вычисления первого шага расчета по времени требуется задание в каждой элементарной ячейке начальных условий. Корректный выбор таких условий чрезвычайно важен, т,к, определяет точность вычисления эффективных параметров двигателя, устойчивость и продолжительность вычисления.
Вышеназванным іребовапиям отвечают следующие начальные условия. Во всех внутренних полостях ДВС находится газ с плотностью и давлением, равными атмосферному. Скорость течения газа в ячейках равна нулю. По вышеназванным параметрам определяется энергетическое состояние газа. Начальная частота вращения хсолепчатого вала соответствует расчетной частоте вращения. Начальное значение концентрации продуктов сгорания во всех элементах системы выпуска задается равной единице, в цилиндре -равной 0,7-0,8. В продувочных каналах, системе впуска и кривошипной камере она принимается равной нулю. Такой способ постановки начальных условий был отработан в ходе проведенного исследования [98].
После расчета одного оборота коленчатого вала было отмечено полное соответствие изменения структуры газодинамического потока, изучаемому явлению и хорошее качественное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей. По количественным параметрам имелись отклонения. Поэтому вычисление было продолжено, в результате чего двигатель выполнил еще около шести расчетных оборотов коленчатого вала. Для достижения количественной повторяемости величин полей скоростей, давления, энергий и т,д. от оборота к обороту потребовалось пять шесть расчетных циклов. Таким образом, расчет двигателя в данном случае представлял собой серию вычислений, в ходе которых происходила стабилизация или установление несіационарного процесса.
На рис. 3.1 представлены результаты многоциклового расчета одноцилиндрового двухтактного двигателя. На графике приведено изменение давления и температуры газа в цилиндре (рис,3.1,а); изменение давления в кривошипной камере и системе выпуска (рис.3.1,б); изменение массового расхода газа на входе и выходе из двигателя (рис,ЗЛ3в) и изменение концентрации продуктов сгорания от цикла к циклу (рис.3.1?г).
Начальная концентрация продуктов сгорания в цилиндре равна 0,4. а) изменение давления и температуры газа в цилиндре; б) изменение давления в кривошипмой камере и системе выпуска; в) изменение массового расхода газа на входе и выходе из ДВС; г) изменение концентрации продуктов сгорания в цилиндре.
Представленные зависимости демонстрируют процесс стабилизации расчетных парамеїров к указанному моменту. К этому времени происходит установление баланса расхода массы газа на входе и ввіходе из двигателя, рис.3.2. Величина отклонения расхода газа на входе и выходе из ДВС не превышает 5%,
На рис. 3.3 приведены результаты изменения концентрации продуктов сгорания в рабочей смеси в цилиндре после газообмена при реализации многоцшшоБОго расчета двигателя с различным начальным фоном ППС, "W,vyV
В основу построения графика положены результаты расчета газообмена двигателя от цикла к циклу. Всего было произведено три варианта расчета с различной начальной степенью концентрации продуктов сгорания в цилиндре: V = 4" Ptft Ь№ - 6" Pi/ 3 ЪФ " 8 Р Как слеДУет из графика, процесс схождения параметров к определенной точке происходит вые зависимости от выбранной величины начального фона. Величина параметра, к которому сходится расчет, зависит, в первую очередь, от конструктивных параметров двигателя и, следовательно, степени совершенства процесса газообмена,
Подводя итоги вышесказанному, следует отметить: а) при проведении нестационарных, пространственно- грехмерных газодинамических расчетов ДВС установление эффективных параметров расчета достигается в результате осуществления ряда повторяющихся расчетных циклов (оборотов коленчатого вала) или серии вычислений. О подобной закономерности говориться в работе [43] при моделировании одномерных нестационарных динамических процессов с использованием иптераісгивной среды «АЛЬБЕЯ»;
Оценка эффективности процесса газообмена в двухтаїсгньїх двигателях с кривошипно-камерно и продувкой
Об основных показателях процесса газообмена в двухтактных двигателях внутреннего сгорания уже шяа речь в разделе 1.1. К ним относятся: коэффициент избытка продувочного воздуха, коэффициент наполнения, коэффициент использования продувочной смеси. Все эти коэффициенты представлены в табл. JO. с учетом их принятого обозначения в мировой практике.
Впервые в отечественной ираклике определение средне интегральных показателей процесса газообмена в многомерном газодинамическом расчете в приложении к двухтактным ДВС было реализовано в МГТУ им. Баумана Давыдовым ЮЛ1Э Крупловым М.Г. и Медновьш А.А. [159].
Приведем формулы, по которым был произведен в дальнейшем расчет искомых показателей. Для определения показателей газообмена на каждом временном шаге, для контрольных сечений продувочного и выпускного каналов вычислялся массовый расход свежей смеси, В качестве контрольных сечений были выбраны: стык продувочного канала с цилиндром и стык выпускного окна с цилиндром двигателя.
Целесообразность учета перемещения через контрольные сечения только свежего заряда была продиктована тем, что в процессе газообмена через искомые сечения может перемвидаться не только свежий заряд, но и продукты сгорания. Об этом уже шла речь.
Анализ формул (4.1) и (4.2) показывает, что они позволяют избирательно отслеживать движение только свежего заряда. В случае истечения ПС без примеси свежего заряда, значение ПГІС - Ь.- и плотности рабочей смеси - р,- тождественно равны. В этом случае расход свежего заряда через контрольные сечения будет тождественно равен нулю.
На рис. 4.6,3 представлены результаты изменения массового расхода свежего заряда на входе и выходе из цилиндра двигателя «Урал-2Э» в процессе газообмена в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Кривая 1 соответствует поступлению шежего заряда в цилиндр, крмваа 7, соответствует поступлению свежего щ ят в систему ьыпусга, цттш Л -наказывает изменение оетаючишчз фона ПС п пштідж двигателя I hi рис 4.6,6 представлен характер изменения давления в цилиндре и кривошипной камере. Кривые 4 и 53 соответственно, демонстрируют изменение давления в цилиндре и кривошипной камере. Для лучшего анализа рисунков 4.6,а и 4.6,6 под ними добавлены интервалы открытия выпускного и продувочного каналов. Меньший интервал открытия относится к продувочному каналу.
Представленная графическая интерпретация процесса газообмена, позволяет на более высоком качественном я количественном уровне зафиксировать известные закономерности в его работе: запаздывание момента начала поступления свежего заряда ъ цилиндр двигателя и обратные течения свежей смеси из цилиндра в кривошипную камеру. Запаздывание момента начала поступления свежего заряда в цилиндр двигателя можно наблюдать на рис, 1Да5 см. кривую 1. Для этого необходимо сравнить момент начала открытия продувочного канала и собственно момент начала поступления свежего заряда.
Обратные течения свежей смеси из цилиндра в кривошипную камеру, наблюдаются на рис. 4.6,а, см. кривую 1, Подтверждением этому служит участок кривой 1, располагающийся выше нулевого значения.
На рис. 4.7.-4Л5, представлены результаты визуализации расчета процесса газообмена в трехмерной постановке. На рисунках изображены различные фрагменты расчета. Цилиндр двигателя «Урал-2Э» представлен в трех сечениях; главный вид, сечение А-А и сечение В-В, Синий цвет в расчетной области соответствует поступлению свежей смеси, а красный --продуктов сгорания. Дополнительно на рисунках добавлены графические зависимости перемещения свежего заряда на входе и выходе из цилиндра. Пунтстирными линиями представлено функциональное соединение искомых графических зависимостей с местами контрольного отбора свежего заряда в продувочном и выпускном каналах.
