Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТим. Н.Э. БАУМАНА__________________________________________________________________На правах рукописиУДК 621.436Кулешов Андрей СергеевичРАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИЯРАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС05.04.02 – тепловые двигателиДиссертацияна соискание ученой степенидоктора технических наукМосква - 2011-2-СОДЕРЖАНИЕстр.ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ИНДЕКСОВ,СОКРАЩЕНИЙ ……………………………………………………………..5ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………….91. ОБЗОР МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯРАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС …………………………………………… 131.1. Анализ актуальных задач стоящих перед двигателестроениеми программного обеспечения, необходимого для их решения……...

131.1.1. Термодинамические модели ДВС ……………………………… 151.1.2. Модели на основе решения задач пространственнойгидродинамики. ………………………………………………… . 261.2. Требования к математическим моделям рабочих процессовДВС применяемым для проведения компьютерной оптимизации двигателей на этапе их разработки и доводки. ………………….. 331.3. Задачи исследования…………………………………………………. 352. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС . 372.1. Математическая модель открытой термодинамической системы ….. 392.2. Математическая модель газообмена четырехтактных и двухтактных ДВС. …………………………………………….………........

462.2.1. Особенности расчета газообмена двухтактных ДВС…….….. 602.3. Математическая модель теплообмена в цилиндре …………………. 662.4. Математическая модель образования сажи.…………………………. 692.5. Методы расчета эмиссии оксидов азота ……………………………. 742.5.1. Общие принципы расчета выброса оксидов азота …………….. 752.5.2. Расчет образования термических оксидов азота.

………………. 762.5.3. Расчет образования оксидов азота по детальномукинетическому механизму.……………………………….……… 79-3-стр.2.6. Последовательность расчета рабочего процесса поршневого ДВС .. 812.7. Последовательность расчета рабочего процесса ДВС с согласованием характеристик турбин и компрессоров с поршневой частью .. 862.8. Методика многопараметрической оптимизации ДВС. ……………. 932.8.1. Выбор целевой функции при минимизации выбросоввредных веществ.

………………………………………………… 1032.9. Выводы по главе ……………………………………………………. 1063. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЕ. …………… 1083.1. Сравнительный анализ существующих феноменологическихмоделей сгорания в дизеле. ………………………………………….. 1083.2. Расчет конфигурации свободной струи. Модифицированнаямодель Лышевского для расчета дальнобойности топливнойструи………………………………………………………………..…… 1223.3.

Расчет развития струи и ее пристеночных потоков в условияхтангенциального вихря. ………………………………………………. .1293.4. Распределение топлива в дизельной струе по характерным зонам .. 1373.5. Расчет скорости испарения в характерных зонах…………………… 1433.6. Расчет периода задержки самовоспламенения……………………… 1493.7. Расчет скорости выгорания.

…………………………………………. 1553.8. Программа ДИЗЕЛЬ-РК ……………………………………………… 1583.9. Выводы по главе. …………………………………………………….. 1594. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В ДИЗЕЛЯХРАЗНЫХ КОНСТРУКЦИЙ. …………………………………………..1614.1. Результаты расчета тепловыделения в дизелях во всем диапазонеработы. …………………………………………………………….....1614.2.

Результаты расчета тепловыделения в дизелях с многоразовымвпрыскиванием и PCCI процессом………………………………… 172-4-стр.4.3. Результаты расчета тепловыделения в дизелях с боковымрасположением форсунок. ..………………………………………… 1794.4. Выводы по главе. …………………………………………………..

1845. ОПТИМИЗАЦИЯ ФОРМЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И УГЛА ВШАТРЕ РАСПЫЛИВАЮЩИХ ОТВЕРСТИЙ ДЛЯСРЕДНЕОБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ …………………………………….1855.1. Выводы по главе …………………………………………………..1986. МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВСРЕДНЕОБОРОТНОГО ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ ДЛЯСНИЖЕНИЯ ЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА И РАСХОДАТОПЛИВА. ……………………………………………………………… 2006.1. Вывод по главе …………………………………………………….209ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ……………………………… 210ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………. 213СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………. 214ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………229Приложение 1. Свойства биотоплив.

……………………………………..229Приложение 2. Свидетельство об официальной регистрациипрограммы для ЭВМ ДИЗЕЛЬ-РК.………………………………………… 231Приложение 3. Документы о внедрении результатов работы. ………….232-5-ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ИНДЕКСОВ, СОКРАЩЕНИЙУсловные обозначенияbeудельный эффективный расход топлива.Cконцентрация.Сртеплоемкость при постоянном давлении.Сvтеплоемкость при постоянном объеме.Dдиаметр цилиндра.dnдиаметр сопловых отверстий распылителя.dx/dφ скорость тепловыделения.FWтекущая площадь теплообмена газа со стенками.Gмасса рабочего тела;расход газа.gCцикловая подача топлива.HUнизшая теплота сгорания.Hcmэнтальпия смеси при расчете эмиссии NOx.I*jполная энтальпия, подведенная к рабочему телу от j-того источникамассы (энтальпия рассчитанная по параметрам торможения).kпоказатель адиабаты.lдлина клапанного канала или протяженность окна.nчастота вращения коленчатого вала;показатель политропы.Nмощность.рдавление.рвпр_max максимальное давление впрыскивания.рzмаксимальное давление цикла.QWколичество теплоты переданной в стенки.QXколичество теплоты от сгорания.peсреднее эффективное давление.Rгазовая постоянная.-6-rконцентрация продуктов полного и совершенного сгорания.Sход поршня.Ттемпература, К.tтемпература, С;время, с.Тtтемпература газов перед турбиной.ТWтемпература тепловоспринимающей поверхности.τ injпродолжительность впрыскивания.Uвнутренняя энергия.Uоскорость впрыскивания, м/с.Vобъем.Wскорость течения газа.Woскорость стационарного течения.W1скорость на выходе из канала в начале расчетного интервала времени.WLскорость на выходе из канала в конце расчетного интервала времени.Wmixпараметр перемешивания.xпространственная координата;доля выделившейся теплоты.αкоэффициент избытка воздуха.αWкоэффициент теплоотдачи от газа к стенкам.∆φшаг по углу поворота коленчатого вала.∆τшаг по времени.φугол поворота кривошипа;коэффициент продувки.ηvкоэффициент наполнения.λприведенная скорость.ρплотность.μfплощадь эффективного проходного сечения.τвремя.-7-Индексыairвоздух.crossзона пересечения пристеночных потоков.crownкорона поршня.envразреженная оболочка струи.frфронт свободной струиgasгаз в выпускной системе.headкрышка цилиндра.ккомпрессор.квдкомпрессор ступени высокого давления.кндкомпрессор ступени низкого давления.linerзеркало цилиндра.оокружающая среда.оготработавшие газы.сзсвежий заряд.cцилиндр.сrканал, соединяющий цилиндр и выпускной коллектор.rвыпускной коллектор.sвпускной коллектор.ттурбина.т2параметры за турбиной.sсканал, соединяющий впускной коллектор и цилиндр.твдтурбина ступени высокого давления.тквдтурбокомпрессор ступени высокого давления.ткндтурбокомпрессор ступени низкого давления.тндтурбина ступени низкого давления.Wстенка.w frфронт пристеночного потока.Хсгорание.-8-СокращенияВДВысокое давление.

Применяется для обозначения ступеней высокогои низкого давления агрегатов наддува.ГВТГазовоздушный тракт.ДВСДвигатель внутреннего сгорания.ДКМДетальный кинетический механизм.КВДКомпрессор ступени высокого давления.КДВС Комбинированный двигатель внутреннего сгорания.КНДКомпрессор ступени низкого давления.НДНизкое давление. Применяется для обозначения ступеней высокого инизкого давления агрегатов наддува.ООппозитный ДВС.ОГОтработавшие газы.ПППристеночный поток.ПДПДВС с противоположно движущимися поршнями (двигатель схемыЮнкерса).п.к.в.(Угол) поворота коленчатого вала двигателя.СЗСвежий заряд.ТВДТурбина ступени высокого давления.ТНДТурбина ступени низкого давления.ЭПТЭлементарная порция топлива.CFDComputational Fluid Dynamic или вычислительная гидродинамика.DLLDynamic Link Library или динамически присоединяемая библиотека.HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition.LРядный ДВС.PCCIPremixed Charge Compression Ignition.SAESociety of Automotive Engineers.VV - образный ДВС.-9-ВВЕДЕНИЕВ настоящее время разработка новых и совершенствование выпускающихся двигателей внутреннего сгорания не представляется без проведения расчетных исследований на ЭВМ.

Особую актуальность математическое моделирование и компьютерная оптимизация ДВС приобретают в условиях ужесточения нормативов на вредные выбросы с отработавшими газами, требованиямивысокой удельной мощности и экономичности, когда объем и стоимость экспериментальных работ радикальным образом возрастают. Ведущими научнымицентрами проводятся широкомасштабные исследовательские работы по поискупутей оптимальной организации рабочих процессов двигателей, включая алгоритмы управления топливной аппаратурой дизелей которые обеспечили бытребуемые уровни вредных выбросов. Наибольшую сложность представляетсобой одновременное снижение выбросов твердых частиц и оксидов азота, ибобольшинство используемых мероприятий положительно влияют на снижениеуровня одних компонентов и одновременно отрицательно влияют на другие.Ввиду дефицита необходимого программного обеспечения, позволяющего решать указанные задачи, основная часть исследований в настоящее времяпроводится экспериментально.

Существующие расчетные методы и реализующие их программы для моделирования процессов в ДВС можно разделить натермодинамические и численные методы механики жидкости и газа или CFD(Computational Fluid Dynamic), однако и те и другие не позволяют на сегодняшний день в полной мере решать задачи оптимизации рабочих процессов ДВСиз-за отсутствия в своем составе достаточно надежных методов расчета смесеобразования и сгорания в дизелях и недостаточного быстродействия. Последнееособенно относится к CFD-программам, требующим огромных вычислительных ресурсов.