Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Разработаны рекомендации по выбору и смене этих гипотез. Разработанная программа позволяет рассчитывать газообмен в двухтактных и четырехтактных ДВС с высокойточностью и быстродействием.3. Усовершенствована предложенная Разлейцевым математическая модель образования сажи в цилиндре дизеля. Усовершенствованная модель точнее учитывает наличие кислорода в процессе сгорания и распределение капельтоплива в процессе впрыскивания, что особенно актуально для моделированияпроцесса с многоразовым впрыскиванием.4.
В разработанную программу расчета рабочего процесса ДВС внедренадвухзонная модель образования оксидов азота по механизму Зельдовича и детальному кинетическому механизму, что позволяет проводить исследования- 107 -двигателей, как с традиционной, так и с современной организацией рабочегопроцесса, большой рециркуляцией отработавших газов и многоразовым впрыскиванием.5. Разработана универсальная программа для ЭВМ, позволяющая рассчитывать рабочий процесс в цилиндре и коллекторах 2-х и 4-х тактных двигателей различных конструкций, быстроходности и степени форсирования.6.
Разработана универсальная методика и программа совместного расчетапоршневого ДВС и агрегатов наддува различных схем, что позволяет прогнозировать характеристики двигателей и подбирать агрегаты наддува к ним, используя характеристики турбин и компрессоров.7. Разработана методика и программа многопараметрической оптимизации рабочих процессов ДВС, что позволяет радикально увеличить эффективность расчетных исследований.8. Предложен комплекс суммарной эмиссии для использования в качествефункции цели для оптимизации рабочего процесса дизелей, направленной наснижение вредных выбросов оксидов азота и сажевых частиц.Представленная математическая модель поршневого двигателя с наддувом позволяет с высокой точностью моделировать рабочие процессы дизелейразной размерности и быстроходности: как двухтактные, так и четырехтактныев широком диапазоне работы.
Реализация в представленной математическоймодели алгоритмов расчета, отличающихся повышенным быстродействием,точностью и универсальностью создает предпосылки для использования этоймодели в решении оптимизационных задач по выбору рационального сочетанияпараметров ДВС.- 108 -3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЕВ настоящее время, в связи с ужесточением конкурентной борьбы в условиях все более жестких ограничений на вредные выбросы дизелей, особую актуальность для увеличения эффективности исследований и доводки ДВС приобретает задача разработки универсальной, точной и удобной для конечногопользователя технологии расчета процесса сгорания в дизеле. Эта технологиядолжна учитывать влияние конструктивных факторов и характеристики впрыскивания на процесс сгорания и выбросы вредных веществ, она должна бытьбыстродействующей, как по времени счета, так и по времени задания исходныхданных, а также должна свести к минимуму усилия по идентификации математической модели.
Кроме того, разрабатываемая модель дизельного сгорания ипрограмма ее реализующая, должны быть адаптированы не только к традиционному способу организации рабочего процесса дизеля, но и должны описывать процессы находящиеся сейчас в стадии разработки и внедрения передовыми исследовательскими центрами, это процессы с многоразовым впрыскиванием, с высокой степенью рециркуляции ОГ, PCCI, и в перспективе HCCI процессы. Степень детализации рассматриваемых процессов должна быть таковой,чтобы с помощью такой программы было можно решать вопросы конструирования топливной аппаратуры, профилирования формы камеры сгорания, управления топливоподачей, рециркуляцией ОГ, фазами газораспределения и агрегатом наддува.
Разработка такой модели сгорания является одной из задач настоящей работы.3.1.Сравнительный анализ существующих феноменологическихмоделей сгорания в дизелеДля решения задач компьютерного моделирования процессов сгорания вдизелях в настоящее время разработаны и используются 3 основных класса ма-- 109 -тематических моделей сгорания:- 0-мерные, однозонные модели;- квази-многомерные, многозонные модели (феноменологические);- многомерные модели.В 0-мерных моделях изменение параметров рассматривается только повремени τ, т.е.dx / dτ = f (τ ) - скорость тепловыделения есть функция тольковремени.
Примерами таких моделей являются получившая наибольшую известность модель Вибе [3] и самая первая расчетная модель Гриневецкого - Мазинга [2]. В ряду известных нуль-мерных моделей следует также упомянутьмодель Ватсона (Watson) [75], использующую для описания скорости тепловыделения алгебраические уравнения с эмпирическими коэффициентами, зависящими от режима работы двигателя; модель Остена и Линя (Austen & Lyn) [76],использующую скорость впрыскивания для расчета dx / dτ ; методику Вошни(Woschni) [77], использующую для расчета индикаторной диаграммы так называемый фактор формы, представляющий собой относительную порцию топлива, впрыснутого в цилиндр за период задержки самовоспламенения; методикиШипинского (Shipinski) [78] и Вайтхауза – Вэя (Whitehouse & Way) [79], использующие закономерности испарения топлива для описания процесса сгорания.
Недостатками однозонных моделей является невозможность учета важныхвлияющих факторов: формы КС, характеристики впрыскивания и т.д., а такженеобходимость идентификации по экспериментальным данным, которая должна выполняться перед тем, как выполнять расчетные исследования.Квази-многомерные, многозонные (феноменологические) модели занимают промежуточную в плане вычислительных ресурсов позицию, но обеспечивают максимальную точность, что делает их самыми перспективными длярешения оптимизационных задач и параметрических исследований.Многомерные модели позволяют максимально полно описать процесс,учитывая его нестационарность, 3-х мерность, турбулентность, диффузию ииспарение, и т.п. Многомерные модели заложены в таких программных ком-- 110 -плексах, как FIRE, KIVA, VECTIS, Star-CD см.
табл. 2. Недостатком многомерных моделей является их потребность в больших вычислительных ресурсах,трудоемкость задания исходных данных и недостаточная проработанность(низкая точность), что затрудняет параметрические исследования и делает решение оптимизационных задач невозможным.Учитывая вышесказанное, в настоящей работе усилия были сосредоточены на разработке универсальной феноменологической модели сгорания в дизеле, которая, будучи внедрена в термодинамическую программу, позволяла бырешать актуальные задачи оптимизации ДВС.В последние годы были разработаны разные многозонные феноменологические модели сгорания в дизеле на основе модели топливной струи.
Хотя между ними много общего, но их можно разделить на два основных типа.В первом типе моделей в струе выделяются несколько характерных зон,отличающихся концентрацией топлива и воздуха. Для описания поведенияструи используется теория турбулентных струй. Геометрия струи, скоростьпродвижения ее вершины, а также распределение топлива в продольном и поперечном направлениях описываются эмпирическими уравнениями.Например, одномерная квазистационарная модель Чуи-Шахеда-Линя(Chui, Shahed and Lyn) [80, 81] выделяет в струе: зону обогащенного топливомядра струи, куда подается топливо из форсунки со скоростью dmf /dt; а такжезоны разреженные воздухом Bi, рис.
3.1, где происходит процесс смешения топлива с воздухом, поступающим в зону со скоростью dme,Bi /dt, одновременноздесь же идет процесс испарения со скоростью dmmp /dt. Число внешних зон Biрастет по мере впрыскивания новых порций топлива и смешения этих порций своздухом. На рис. 3.1 представлено осевое сечение струи и схема ее отклонениятангенциальным вихрем. Скорость вовлечения воздуха в струю, которое имеетместо по всей поверхности, принимается пропорциональной скорости струи относительно окружающего воздуха. Скорость движения вершины струи рассчитывается либо по эмпирическим уравнениям, либо с помощью уравнений со-- 111 -хранения импульса и массы.
Первые версии модели не учитывали распределение топлива в поперечном сечении струи, а оценивали концентрацию только повсему контуру целиком. В последних версиях этой модели введено допущениео нормальном распределении концентрации топлива в поперечном сеченииструи и гиперболическом распределении топлива в продольном направлении.Рис. 3.1. Модель развития струи Чуи-Шахеда-Линя (Chiu, Shahed, Lyn)с обозначением характерных зон [80, 81]Недостатком модели является отсутствие учета взаимодействия струи состенками КС, тогда как известно, что на режимах большой мощности и большого крутящего момента около 70% всего времени своего развития струя находится в контакте со стенками КС.Модель, предложенная Би, Ханом и Янгом (Bi, Han, Yang) [82, 83] представляет струю в виде конуса с разбиением на зоны только в осевом направлении в соответствии с шагом по времени (рис.
3.2). Каждая зона Lj соответствуетдоле топлива впрыснутого за период времени tj+1 – tj. Длина и угол конусаструи рассчитываются по эмпирическим уравнениям Хироясу [4]. Эта модельучитывает деформацию струи вихрем и взаимодействие ее со стенками. Послесоударения пристеночный поток развивается в стороны от точки соударения.- 112 -Скорость распространения пристеночного потока рассчитывается по уравнению, аналогичному тому, что используется для свободно развивающейся струи.Скорость испарения рассчитывается на основании решения системы уравненийтеплового баланса для капель, диаметр которых принят равным Заутеровскому.Сгорание в каждой зоне происходит по истечении периода задержки самовоспламенения, который рассчитывается по методике Харденберга и Хасэ(Hardenberg & Hase) [84].Рис.
3.2. Модель развития струи Би-Хана-Янга (Bi, Han, Yang)с обозначением характерных зон [82, 83]В модели предложенной Н.Ф.Разлецевым [6], струя и ее пристеночныйпоток разбиваются на зоны исходя из условия одинаковости условий испарениявнутри каждой зоны. Общее количество зон – 9 (рис. 3.3). Условия испарениямежду разными зонами существенно отличаются. На рис. 3.3 цифрами обозначены зоны: 1 – уплотненное осевое ядро свободной струи, 2 – уплотненный передний фронт свободной струи, 3 – разреженная оболочка свободной струи, 4 –осевое коническое ядро ПП, 5 – уплотненное ядро ПП на поверхности поршня,6 – уплотненный передний фронт ПП, 7 – разреженная оболочка пристеночногопотока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
