Програма CyberDiesel розроблена на теоретичній основі комплексної математичної моделі подачі палива і локальних внутріціліндровие процесів дизеля з об'ємним сумішоутворенням. Програма призначена для вирішення практичних завдань узгодження конструктивних і регулювальних параметрів паливної апаратури і камери згоряння дизеля методами математичного моделювання.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Гаврилов Володимир Васильович, Мащенко Володимир Юрійович


The program CyberDiesel has been developed on theoretical base of complex math model of fuel injecting and local inside cylinder processes. The program is designed for solving of practical problems of coordination of fuel injecting equipment and a combustion chamber of diesel engines by math modeling methods.


Область наук:

  • Механіка і машинобудування

  • Рік видавництва: 2012


    Журнал: Вісник державного університету морського і річкового флоту ім. адмірала С.О. Макарова


    Наукова стаття на тему 'Математичне моделювання подачі палива і локальних внутріціліндровие процесів в дизелі з об'ємним сумішоутворенням з використанням програми CyberDiesel'

    Текст наукової роботи на тему «Математичне моделювання подачі палива і локальних внутріціліндровие процесів в дизелі з об'ємним сумішоутворенням з використанням програми CyberDiesel»

    ?випуск 2

    3. Proc. Int. Conf. Gear., Zhengzhou, 5-10 Nov., 1988. - Zhengzhou, 1988. - Vol. 2.

    4. Wissenschaftliche Zeitschrift der Technischen Universi ^ t Dresden. - 1978. - № 27, 3/4.

    5. Андріанов Е. Н. Експлуатаційні навантаження портальних перевантажувальних кранів / Е. Н. Андріанов // Журнал університету водних комунікацій. - СПб., 2009. - Вип. 4.

    // Тр. ЛІВТ. - Л .: Транспорт, 1969.

    7. Звягінцев Н. В. Імовірнісні характеристики процесів навантажень елементів металевих конструкцій стрілових систем грейферних портальних кранів / Н. В. Звягінцев,

    Н. Я. Розовський // Тр. ЛІВТ. - Л .: Транспорт, 1976.

    8. Звягінцев Н. В. Статистичні характеристики коефіцієнтів динамічності металевих конструкцій стріл грейферних портальних кранів / Н. В. Звягінцев, Н. Я. Розовський, Ю. В. силіку // Тр. ЛІВТ. - Л .: Транспорт, 1972.

    УДК 621.43.068

    МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ подачі палива І ЛОКАЛЬНИХ внутріціліндровие ПРОЦЕСІВ В ДИЗЕЛІ з об'ємною сумішоутворенню З ВИКОРИСТАННЯМ ПРОГРАМИ CYBERDIESEL

    MATH MODELING OF FUEL INJECTING AND LOCAL INSIDE CYLINDER PROCESSES IN SPRAY-TYPE DIESEL ENGINE BY PROGRAM OF CYBERDIESEL

    Програма CyberDiesel розроблена на теоретичній основі комплексної математичної моделі подачі палива і локальних внутріціліндровие процесів дизеля з об'ємним сумішоутворенням. Програма призначена для вирішення практичних завдань узгодження конструктивних і регулювальних параметрів паливної апаратури і камери згоряння дизеля методами математичного моделювання.

    The program CyberDiesel has been developed on theoretical base of complex math model offuel injecting and local inside cylinder processes. The program is designed for solving ofpractical problems of coordination of fuel injecting equipment and a combustion chamber of diesel engines by math modeling methods.

    Ключові слова: дизель, упорскування палива, паливна струмінь, горіння палива, паливна апаратура, камера згоряння, математичне моделювання локальних внутріціліндровие процесів, викид NO, витрата палива.

    Key words: diesel engine, fuel injection, fuel jet, fuel burning, fuel injecting equipment, combustion chamber, math modeling оf local inside cylinder processes, NO emission fuel outlay.

    6. Брауде В. І. Навантаження портальних кранів / В. І. Брауде, М. В. Звягінцев, Ю. В. силіку

    В. В. Гаврилов,

    д-р техн. наук, професор, СПГУВК;

    В. Ю. Мащенко,

    аспірант,

    СПбГМТУ

    А

    Нализ розвитку суднової енергетики показує, що актуальність проблеми підвищення економічних і екологічних показників дизелів не знижується. Одним з основних способів вирішення цієї проблеми є узгодження конструктивних парамет-

    рів паливної апаратури (ТА) і камери згоряння (КС) на етапах розробки нового та модернізації існуючого дизеля. В даний час таке узгодження виконують шляхом головним чином дорогих доводочних випробувань. Ефективним засобом зниження вартості і тривалості доводочних випробувань є застосування програмного забезпечення, орієнтованого на рішення спеціальних завдань при проектуванні ТА і КС.

    В даний час відчувається брак програмних продуктів, що мають властивість спрямованості на вирішення прикладних завдань проектування. Відомі зарубіжні програми (KIVA, Star-CD, FIRE і ін.) Дороги і громіздкі. Розрахунки з великою кількістю трудноопределімую початкових і граничних умов не завжди призводять до достовірних результатів. Це ускладнює їх використання для вирішення поставленого прикладного завдання. Частково цей недолік подоланий у відомому вітчизняному програмному комплексі «Дизель-РК», розробленому в МГТУ ім. Н. Е. Баумана. Його перевагою є зручний і інтуїтивно зрозумілий для користувача інтерфейс. Незважаючи на це, необхідно відзначити, що «ядром» програмного комплексу є математична модель сумішоутворення і згоряння палива в КС, запропонована Н. Ф. Разлейцевим. Ця математична модель більш інших відомих моделей пристосована до вирішення завдань конструювання дизелів. Однак їй властиві умовність поділу простору, займаного паливним факелом, на зони, а також довільність завдання кордонів зазначених зон і параметрів тепломасообміну в них. Відсутність в розпорядженні автора моделі деяких необхідних експериментальних даних про ці параметри не дозволила йому досить строго змоделювати процеси сумішоутворення і згоряння в дизелі і описати залежність їх якості від багатьох істотних чинників. Крім того, кількість емпіричних коефіцієнтів дуже багато, через що «настройка» моделі, яка виконується за експериментальними кривими тепловиділення базового варіанту дизеля, дуже трудомістка.

    Головна особливість розвитку сучасної теорії ДВС полягає в розширенні «локального підходу» при моделюванні процесів в циліндрі. Відомо, що нерівномірність поля локальних параметрів робочого тіла істотно впливає на процеси утворення продуктів горіння палива, найбільш токсичними з яких є оксиди азоту. Тому при розрахунку їх емісії локальний підхід необхідний. Важливим кроком у цьому напрямку слід вважати уточнення розрахунку поля температур в камері згоряння, що дасть можливість досліджувати вплив, зокрема, профілю КС і характеристики впорскування палива на робочий процес.

    Маючи на увазі викладене, розробники програми CyberDiesel прагнули надати базової математичної моделі наступні властивості [1].

    1. Можливість моделювати процес подачі палива і відстежувати його вплив на перебіг внутріціліндровие процесів.

    2. Локальність опису параметрів робочого тіла в КС. Саме ця властивість може бути необхідною умовою для того, щоб результати роботи програми адекватно відображали вплив зміни профілю КС і параметрів паливної ТА на індикаторні показники робочого циклу.

    3. підтвердження адекватності математичного моделювання результатами експериментальних досліджень. Причому це властивість має ставитися не тільки до всієї моделі, а й до окремих подмоделей комплексу процесів «топлівоподача-смесеобразование-згорання».

    Пропонована програма базується на наступних подмоделей елементарних процесів, що відбуваються в ТА і КС: топлівоподача, розпад струменя палива на краплі, розвиток випаровується паливної струменя, перемішування парів палива з газом, предпламенной реакції, виділення теплоти при горінні і утворення оксиду азоту NO. В якості вихідних даних задаються конструктивні параметри паливної апаратури і камери згоряння, теплофізичні властивості палива і повітря, деякі емпіричні коефіцієнти і параметри розрахункової сітки. Головними результатами розрахунку є індикаторна діаграма, характеристика тепловиділення, характеристика освіти NO. Як проміжних результатів виводяться характеристика подачі палива, поля концентрацій компонентів і швидкостей робочого тіла, поля темпера-

    випуск 2

    випуск 2

    тур і тисків. При цьому важливо відзначити, що зіставлення результатів роботи програми з експериментами проведено не тільки для розрахункових індикаторної діаграми і характеристик тепловиділення, але також і для розрахунків проміжних процесів.

    Процес подачі палива розраховується з використанням відомої динамічної моделі. При цьому спосіб вирішення системи рівнянь був запозичений у Б. П. Пугачова. Практика розрахунково-експериментальних досліджень показала, що при деяких специфічних вихідних даних модель реагує на зміну довжини трубопроводу високого тиску (ТВД) неадекватно: збільшення довжини ТВД відповідно до моделі призводить до зменшення відставання імпульсу тиску в форсунці щодо імпульсу в ТНВД. Приклад такого розрахункового варіанта для дизеля ЧН30 / 38 (Д42), виконаний для довжин ТВД 100 і 600 мм, наведено на рис. 1.

    800

    700

    600

    Про.

    «500 щ

    = 400

    ш

    5 зоо

    га

    ^ 200 100 0

    Довжина ТВД 100 і і

    Довжина ТВД 600 ні

    - - -форсунка

    //

    Йл Р 1 * 1 1

    Л

    1

    0 5 10 15 20 25

    Градуси повороту распредвала

    700

    600

    500

    Про.

    га ю 400

    і

    = 300

    ш

    З ш 200

    = Г

    100

    0

    30

    - - -форсунка

    V Р

    / Я ж

    / 1

    г

    Ж 1

    1

    5 10 15 20 25 30

    Градуси повороту распредвала

    Мал. 1. Імпульси в паливній апаратурі при базовому варіанті граничних умов

    Очевидно, що цей результат не відповідає дійсності. Аналіз виразів показав, що причина такої реакції полягає в неточності виразів для швидкостей палива в граничних перетинах трубки високого тиску.

    Граничні умови базової методики [2] задають значення швидкостей руху палива в початковому (/ = 0) і кінцевому (/ = п) перетинах ТВД по наступних рівнянь:

    1 Ах / \

    %, У + 1 = ™ про ,; + -Рі + Л

    р Ас

    1 Ах (1)

    ^ | + 1 = -рД ^ + 1 - ^ - Іл

    де Ах і Ат - кроки розрахункової сітки відповідно по координаті відстані ТВД х і координаті часу т; /, / - номери вузлів сітки, що відповідають умовам х = / Ах (/ = 0, 1, 2, ..., п) і т = / Ат (/ = 0, 1,.); ^ - швидкість в вузлі, р- тиск у вузлі, р + і Р ^ + 1 - тиск відповідно в штуцері ТНВД і форсунки на наступному кроці розрахунку за часом.

    Запропоновані рівняння граничних умов мають такий вигляд:

    ® ^ = щ.1 + ^ і, -РіУ ^ кь..1 -чД (2)

    уу. = М? . "- (й. | ~ Р 1.) •

    я.7 + 1 я і РДС 7 Дд-1 Ф>Л 'Ф <1 п - \,] /

    Порівняння виразів показує, що (1) є окремим випадком (2), якщо задати швидкості в штуцері ТНВД і форсунки тотожно рівними нулю w = = 0. Відомо, що в сов-

    ремінних високофорсованих дизелях швидкості руху палива в ТВД можуть істотно

    відрізнятися від нуля. Допущення про нульових швидкостях в граничних перетинах призводить до суттєвого заниження розрахункового тиску в ТВД (особливо в першому перетині).

    На рис. 2 приведені графіки, розраховані за уточненою нами методикою (тобто із застосуванням рівнянь (2) граничних умов в ТВД) за вихідними даними аналізованого розрахункового варіанта. В результаті розрахунків виявилося, що при збільшенні довжини ТВД збільшується відставання по куту повороту розподільного валу (за часом) імпульсу тиску в форсунці від імпульсу тиску в ТНВД (див. Рис. 2). Крім того, максимум тиску в форсунці помітно зменшується. Отриманий результат відповідає реальному процесу подачі палива.

    Довжина ТВД 100 ії

    Довжина ТВД Є00 ії

    1200

    1000

    Про.

    га 800

    'Про

    АГ = 600

    ш

    ш га 400

    = 1

    200

    0

    - - -форсунка ІІММ -1000 - - - -форсунка

    /, \,

    \ 1 1 2 га щ л 1,

    / # Г V. а ЬММ = X 1 * 1 ч. 1 1

    Мл г \ 1 про га * ж * 1

    | Г \ | Г 1 Я 1. |

    5 10 15 20 25

    Градуси повороту распредвала

    30

    5 10 15 20 25

    Градуси повороту распредвала

    30

    Мал. 2. Імпульси тиску в паливній апаратурі при витонченому варіанті граничних умов

    Порівняння розрахункової та експериментальної характеристик тиску впорскування в залежності від кута повороту распредвала, отримані для паливної апаратури дизеля ЧН30 / 38, представлені на рис. 3. Відхилення розрахункових значень тиску від досвідчених не перевищує 120 МПа, що відповідає максимальної відносної похибки 10%.

    Розрахунок процесу розвитку паливної струменя побудований на базі рівнянь, що описують комплекс процесів: просування крапель, формування спутного газового потоку, взаємодія двухфазной струменя зі стінками камери згоряння.

    Просування крапель в просторі КС моделюється за відомим в класичній гідромеханіки методу Лагранжа. Для цього безперервна характеристика впорскування дискретизируется з розрахунковим інтервалом за часом Ах так, що за кожен інтервал вилітає з сопла форсунки одна розрахункова порція палива

    Мал. 3. Характеристика тиску впорскування

    масою т

    А '

    Маса / -І порції (індекс номера порції відповідає інтервалу і = 1, 2, пу) розраховується за середнім значенням ординат характеристики впорскування на розрахунковому інтервалі часу:

    т, = (СІА / с / т1 -------------------- - Ат.

    2т г

    впр * з

    (3)

    випуск 2

    випуск 2

    Координата вектора швидкості по осі абсцис для i-ї порції на виході з соплового отвер-

    сті:

    т,

    а

    (4)

    - = (с / ст / с / т), -

    Р / (цс / с) А / С Р / (Цс / с) ТВПР До

    У формулах (3) і (4) (с / ст / с / т) г. - ордината відносної диференціальної характеристики впорскування для i-ї порції; Gц і р ^. - відповідно цикловая подача і щільність палива; цс і / - відповідно коефіцієнт витрати і площа прохідного перетину соплового отвору; і с - число соплових отворів в форсунки; ТВПР - час впорскування.

    Проекцію вектора швидкості на вісь ординат для i-ї порції на виході з соплового отвору можна розрахувати за формулою, отриманої з теоретичного рішення О. Н. Лебедєва:

    ™ уі = К »

    де су - коефіцієнт поверхневого натягу палива, Ру - щільність палива, Кк - чисельний коефіцієнт.

    Середній заутеровскій діаметр краплі d32i є постійним в межах / -й порції і ви-числяться за відомою формулою Танасави:

    N 0,25

    юр

    г)

    1 + о, ЗЗК / с

    10?

    \ А / Р / * з

    де су - коефіцієнт поверхневого натягу палива, g = 9,81 м / с2 - прискорення вільного падіння; dc - діаметр соплового отвору; Сл - чисельний коефіцієнт; w. - модуль вектора швидкості для / -й порції; w 2 = wx 2 + w 2.

    Опір руху крапель в в'язкому середовищі обчислюємо, використовуючи відому з класичної гідромеханіки формулу для обтікання тіла кулястої форми. Проекції векторів прискорення для / -й порції:

    дм

    с / т

    Р /

    32 /

    дм

    до у г

    ек

    = Р0

    ^ Р / -

    '32 /

    де СПГ і СПУ - емпіричні коефіцієнти опору руху краплі відповідно в

    швидкості руху відповідно краплі і повітря.

    На рис. 4 представлені розрахункові та

    ^ Їх хх ^ Іу

    напрямках х і у; w і w

    іХцт-ії

    120

    80

    40

    0

    Іхсіс = 8х0132мм;

    ра = 12, В кг / м3

    -- експеримент

    ... розрахунок V

    | _ ЛЦТ

    "" П *

    0

    10

    т, ис

    Мал. 4. Характеристики дальнобійності і положення центру мас струменя

    відповідні експериментальні характеристики руху паливної струменя для ТА дизеля ДН23 / 30 (40Д). Виявилося, що відмінність розрахункових і експериментальних значень досліджуваних величин не перевищує 10%. Попутно зауважимо, що координата центру маси уприснуло палива Хцт знаходиться на відстані, приблизно відповідному половині дальнобійності струменя Ь. Це зауваження справедливо для всього часу уприскування. Отже, передбачуване деякими авторами необоротне накопичення основної маси

    палива в головній частині струменя не підтверджується ані експериментом, ні розрахунком за програмою СуЬегБ1е8е1.

    Особливістю розрахунку процесу паливної струменя є припущення про потенційності газового потоку, що дозволило використовувати метод конформних відображень для розрахунку поля швидкостей в КС [3]. Рівняння побудовані згідно з відомим принципом Ейлера, теоретично обгрунтовані і експериментально підтверджені [1].

    Моделювання газового потоку в КС виконано на основі методу суперпозиції гідродинамічних особливостей, який дозволяє отримати сумарний комплексний потенціал потоку. Вплив руху частинок палива на поле швидкостей газу змодельовано у вигляді течії від плоских диполів. Газовий потік, спрямований уздовж осі циліндра, являє собою плоскопараллельное протягом, швидкість якого на поверхні поршня дорівнює швидкості його руху, а на поверхні кришки циліндра дорівнює нулю. Зміна зазначеної швидкості вздовж напрямку руху відбувається по лінійної залежності. При моделюванні задач обтікання профілю КС складної форми (для якого неможливо знайти єдину функцію конформного відображення), його слід розбити на кілька простих елементів (дуг кіл, прямих і т. Д.), Для яких такі функції відомі.

    Поле швидкостей робочого тіла робить істотний вплив на формування поля концентрацій в КС, отже, і на характер подальших предпламенной реакцій, а також на характеристики тепловиділення. Алгоритм предпламенной реакцій реалізований з використанням теоретичних розробок [1]. Він враховує так звані ланцюгове і теплове прискорення реакцій, а також залежність їх швидкості від локальних концентрацій реагентів. На рис. 5 представлено розрахункове дослідження поля температур газової фази в випаровується паливної струмені дизеля ДН23 / 30 на момент часу 0,25 мс від початку впорскування (вісь соплового отвору спрямована горизонтально). Як видно з малюнка, в струмені спостерігається зниження температури. Причому градієнт температури в тій частині поля, яке займає струмінь, спрямований від деякого центру, лежачого на осі струменя. Результати розрахунку поля температур для моментів часу, близьких до закінчення періоду затримки запалення, дозволяють визначити положення вогнищ полум'я.

    Горіння палива і емісія оксидів азоту в продуктах згоряння в локальних зонах КС розраховуються з використанням кінетичних рівнянь. Середні по циліндру параметри стану робочого тіла для поточного часу обчислюються шляхом інтегрування диференціальних рівнянь,

    виведених з першого закону термодинаміки і рівняння стану:

    ^ = - (лХві Йо-лу-Дсте, й-рЛ'-с.ГО, *), ах з "т

    Мал. 5. Розрахункове розподіл температури газової фази в випаровується паливної струмені в дизелі типу ДН 23/30

    ф

    (Ах

    т

    ц Лх Лх Лх

    де p - тиск робочого тіла в КС; m - маса робочого тіла в КС; V - об'єм КС; T - температура робочого тіла в КС; питома ізохорно теплоємність робочого тіла в КС; Ах - від-

    відносна частка палива, вигорілого на поточному кроці по часу; Ас - відносна частка палива, випарувався на поточному кроці по часу; Gц - циклова подача; Qн - нижча теплота згоряння палива; Qп - теплота пароутворення палива; До ^ = 0,10 ... 0,30 - емпіричний коефіцієнт, який призначається з аналізу теплового балансу двигуна-прототипу і виражає

    З]

    випуск 2

    випуск 2

    відносну величину теплових втрат в навколишнє середовище (з охолоджувальною водою, маслом, втрати через зовнішні поверхні двигуна і втрати, які не підлягають обліку).

    Маса вигорілого палива і маса утворився NO для поточного часу обчислюються шляхом інтегрування відповідних локальних параметрів по простору КС.

    Приклад порівняння розрахункових індикаторних діаграм і характеристик тепловиділення з відповідними експериментальними даними представлений на рис. 6. Бачимо, що відхилення розрахункових значень тиску від експериментальних не перевищує 1 МПа, що відповідає максимальної відносної похибки менше 10%. Відносні похибки характеристик температури і швидкості тепловиділення не перевищують відповідно 10% і 20%.

    Таким чином, дослідження показали, що результати математичного моделювання процесів подачі палива і внутріціліндровие процесів (включаючи елементарні процеси, проміжні і завершальні стадії комплексу процесів) цілком задовільно збігаються з результатами експериментів. Це означає, що використання запропонованої програми CyberDiesel в дизелебудівному практиці дозволить вирішувати питання узгодження конструктивних і регулювальних параметрів дизеля і домагатися за рахунок цього підвищення його техніко-економічних і екологічних показників.

    Список літератури

    1. Гаврилов В. В. Методи підвищення якості сумішоутворення і згоряння в судновому дизелі на основі математичного та фізичного моделювання локальних внутріціліндровие процесів: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / В. В. Гаврилов. - СПб .: СПбГМТУ, 2004. - 43 с.

    2. Робота дизелів в умовах експлуатації. / А. К. Костін, Б. П. Пугачов, Ю. Ю. Коченов; під ред. А. К. Костіна. - Л .: Машинобудування, 1989. - 284 с.

    3. Щукін П. А. Комплексна математична модель робочого процесу дизеля з об'ємним сумішоутворенням: автореф. дис. ... канд. техн. наук / П. А. Щукін. - СПб .: ЦНІДІ, 1999. - 22 с.

    %

    Мал. 6. Приклад розрахункових і експериментальних характеристик тиску, температури і відносної швидкості тепловиділення


    Ключові слова: ДИЗЕЛЬ /уприскуванням палива /ПАЛИВНА СТРУМІНЬ /ГОРІННЯ ПАЛИВА /ПАЛИВНА АПАРАТУРА /КАМЕРА ЗГОРЯННЯ /МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ локальних внутріціліндровие ПРОЦЕСІВ /ВИКИД NO /ВИТРАТИ ПАЛИВА /MATH MODELING ОF LOCAL INSIDE CYLINDER PROCESSES /DIESEL ENGINE /FUEL INJECTION /FUEL JET /FUEL BURNING /FUEL INJECTING EQUIPMENT /COMBUSTION CHAMBER /NO EMISSION /FUEL OUTLAY

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити