Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Что касается- 155 -известного уравнения Харденберга и Хасэ [84], то оно может быть применимотолько к расчету дизелей с обычной организацией процесса сгорания.Подводя итог сказанному, следует отметить, что для решения оптимизационных задач необходимо обеспечить непрерывность корректного расчета рабочего процесса при смене способа его организации. Учитывая также то, чторасчетный метод, построенный на среднем арифметическом от результатовпошагового и интегрального расчетов, позволяет получить высокую точностькак при обычной организации процесса сгорания, так и при PCCI, именно этомуметоду было отдано предпочтение при построении математической моделисгорания в дизеле.3.7.Расчет скорости выгоранияДетальное описание уравнений, полученных Разлейцевым для расчетаскорости тепловыделения dx/dτ, представлено им в работах [5, 6]. Скорость тепловыделения в период выгорания паров топлива, образовавшихся за периодзадержки, рассчитывается по уравнению:dx / dτ = φ0 P0 + φ1 P1 ,где: P0 = A0 (m f Vi )(σ ud − x 0 )(0.1σ ud + x 0 );(3.49)P1 = dσ u dτ ; x – доля выделивше-гося тепла или доля выгоревшего топлива; x0 – доля паров топлива, образовавшихся за период задержки и выгоревших к текущему моменту времени; σud –доля паров топлива, образовавшихся за период задержки.Во время впрыскивания скорость тепловыделения:dx / dτ = φ1 P1 + φ2 P2 ,(3.50)где: P2 = A2 (m f Vc )(σ u − x )(α − x ).После окончания впрыскивания скорость тепловыделения вычисляетсякак:dx / dτ = φ3 A3 K T (1 − x )(ξ b α − x ).(3.51)В этих уравнениях принято: φ0 ≈ φ1 ≈ φ2 = φ – функция, описывающаяполноту выгорания паров топлива в зоне сгорания [6]:- 156 -φ = 1−mW − 16000 dxA1 ,r300rexp+ V ∑Wi2500ξb α − x Tdτ+i =1 W i (3.52)где: ξb – эффективность использования воздуха; α – коэффициент избытка воздуха; rV – относительная скорость испарения в зоне разреженной оболочки ифронта струи; rWi - относительная скорость испарения в зонах пристеночныхпотоков: rV =dσ u env dτ + dσ u front dτdσ u d τ,rW i =dσ u Wi dτdσ u dτ;(3.53)mW – текущее количество зон; сформированных пристеночным потоком на разных поверхностях; TWi – температура стенок в соответствующих зонах.
Эффективность использования воздуха ξb - есть отношение текущего α к среднему αпо цилиндру. На основе обработки результатов газового анализа проб, взятыхиз цилиндра в разные моменты времени для разных дизелей, Разлейцевым былапредложена зависимость для ξb: 1 ϕ 2 ϕz 2exp − z ,ξ b = 1 − 1,46 (1 − ξ b 0 )ϕ z0 π 2 ϕ z 0 (3.54)где: ϕ z = ϕ ϕ z текущий угол поворота начиная от начала сгорания, отнесенныйк теоретической продолжительности сгорания ϕz; ϕ z 0 и ξb0 – координаты точкиминимума функции ξb, см. рис. 3.30. Абсцисса ϕ z 0 = 0,15÷0,3 и ордината ξb0 =0,3÷0,6 являются эмпирическими константами, зависящими от концепции организации процесса смесеобразования, величина этих констант подбирается приидентификации математической модели по экспериментальным данным.Рис. 3.30.
Функция эффективности использования воздуха ξb- 157 -Теоретическая продолжительность сгорания определяется периодом испарения крупных капель впрыснутых в конце периода топливоподачи:()ϕz = τinj −τi +τ l burn 6 n ;τ l burn[]d l2=1 + 2,5 ⋅ 10 6 K env (α − 1) ;KuK u = Y K env ,(3.55)где: dl – диаметр крупных капель; Kenv – константа испарения в зоне оболочкитопливной струи, вычисленная по уравнению (3.40). В уравнениях (3.49 – 3.54)используются следующие обозначения: mf – цикловая подача топлива; Vi и Vcобъем цилиндра в начале впрыскивания и в ВМТ; σud и σu – доли топлива испарившегося в период задержки самовоспламенения и до текущего момента времени, соответственно; A0, A1, A2 – эмпирические коэффициенты, зависящие отчастоты вращения и интенсивности вихря; A3 может быть определен из уравнений (3.50) и (3.51), приняв при расчете τ = τsmax.Опыт идентификации пред-ставленной модели сгорания для разных двигателей позволяет рекомендоватьследующие зависимости:A0 = a0 (RS n) ;0, 5A1 = 0,04 / (RS n ) ;0,5A2 = 9 (RS n ) .0,5(3.56)KT (в уравнении 3.51) учитывает разрушение пристеночного потока накороне поршня из-за ускорения последнего.
Эффект разрушения пристеночногопотока связан с величиной надпоршневого зазора и динамикой его увеличения:1,if Z < Z n KT = ;221 + 3000 σ crown Z − Z n , if Z ≥ Z n ()(3.57)Z = (dV / dϕ ) V ,где: V – текущий объем цилиндра; ϕ - угол поворота; Zn это Z при угле поворота15o после ВМТ.Представленная модель сгорания позволяет рассчитывать тепловыделение в цилиндре дизеля без перенастройки эмпирических коэффициентов длякаждого рабочего режима. Результаты расчета скорости тепловыделенияпроведенные по описанной методике в сравнении с экспериментальнымиданными приведены в главе 4.- 158 -3.8.
Программа ДИЗЕЛЬ-РКПриведенные в главах 2 и 3 методики и алгоритмы расчета рабочих процессов в ДВС были реализованы в компьютерных программах ДИЗЕЛЬ-2т,ДИЗЕЛЬ-4т и ДИЗЕЛЬ-РК.Программы ДИЗЕЛЬ-2т и ДИЗЕЛЬ-4т развивались до 2003 г. в соавторстве с инженером В.И. Башмаковым, разработавшим графический интерфейс.Они предназначались для расчета и оптимизации двухтаткных и четырехтаткных ДВС соответственно.
Эти программы функционировали в операционныхсистемах DOS и WINDOWS 98. В настоящее время они устарели, и их местозаняла программа ДИЗЕЛЬ-РК, разработанная для операционной системыWINDOWS ХР и WINDOWS 7 в соавторстве с инженером Ю.М. Фадеевым.Свидетельство о Государственной регистрации программы ДИЗЕЛЬ-РК представлено в Приложении 2.Программа ДИЗЕЛЬ-РК имеет: развитый пользовательский интерфейс,позволяющий задавать данные и анализировать результаты в системе меню;программу визуализации результатов расчета развития струй в камере сгораниядизеля и другие средства, упрощающие работу. Например, чтобы радикальноупростить начало работы с программой, в нее встроены специальные инструменты: мастера настроек, которые позволяют быстро создать файл данных наоснове лишь общих сведений об объекте исследований.
Недостающие размерыи параметры, а также эмпирические коэффициенты, мастер настроек рассчитаети примет на основе внутренней базы данных, содержащей наиболее распространенные решения по проектированию двигателей разной размерности и назначения. Это особенно важно для пользователей, работающих в условиях дефицита информации или с большой номенклатурой двигателей.Система контекстной помощи к программе включает справочную информацию и помогает описать исходные данные и результаты. Программа позволяет решать оптимизационные задачи методами математического программиро-- 159 -вания и представляет собой инструмент для решения широкого круга практических задач, прошедший многолетнюю апробацию в промышленности, в учебном процессе в МГТУ им.
Н.Э. Баумана и в других университетах (Приложение3). Для расширения круга пользователей коллективом разработчиков разработано приложение клиент–сервер, которое позволяет широкому кругу пользователей по всему миру выполнять расчеты рабочих процессов ДВС через Интернет. Клиентская часть загружается с сайта МГТУ им. Н.Э.Баумана и устанавливается на компьютере удаленного пользователя, а расчеты выполняются серверами университета по запросу клиентской части, содержащей пре- и постпроцессор программы ДИЗЕЛЬ-РК.3.9. Выводы по главе1. Сравнение феноменологических моделей сгорания в двигателе с воспламенением от сжатия применительно к решению задачи оптимизации рабочих процессов дизелей разной конструкции, размерности и способа организации смесеобразования показывает преимущество модели, разработанной Разлейцевым.2. Модифицировано уравнение А.С.
Лышевского для расчета дальнобойности топливных струй, что позволило придать ему универсальность и использовать его как для среднеоборотных дизелей, так и для высокооборотных.3. Для расширения области применения и учета дополнительных влияющих факторов модель сгорания Н.Ф. Разлейцева была модифицирована в следующих направлениях.а) Учтено взаимодействие топливной струи и ее пристеночного потока своздушным вихрем, имеющим разные профили.б) Учтены: движение поршня, произвольный профиль камеры сгорания,боковое расположение распылителя, произвольная направленность каждого со-- 160 -плового отверстия при определении места и угла соударения струи со стенкамиКС.в) Дополнительно рассмотрены зоны пересечения пристеночных потоковсоседних струй, наличие которых затягивает процесс сгорания.г) Модифицированы уравнения расчета скорости испарения в разных зонах для учета температуры стенок камеры в поршне, учета режимных и масштабных факторов, что позволило радикально упростить идентификацию математической модели.
Все режимы работы дизеля могут рассчитываться с идентичными эмпирическими коэффициентами.4. Разработана методика расчета периода задержки самовоспламенения вдизеле на основе уравнения Толстова, позволяющая рассчитывать период задержки как для обычных двигателей, так и для двигателей с высокой рециркуляцией ОГ, многоразовым впрыскиванием и большим опережением топливоподачи.- 161 -4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В ДИЗЕЛЯХРАЗНЫХ КОНСТРУКЦИЙНастоящая глава посвящена иллюстрации использования описанной выше методики расчета сгорания в дизеле на характерных примерах. Для расчетов использовалась программа ДИЗЕЛЬ-РК, в которой была реализована приведенная в гл.
3 модель сгорания. Для иллюстрации точности расчетов использовались экспериментальные данные из разных источников.4.1. Результаты расчета тепловыделения в дизеляхво всем диапазоне работыПредставленная модель сгорания позволяет рассчитывать тепловыделение в цилиндре дизеля во всем диапазоне рабочих режимов без перенастройкиэмпирических коэффициентов для каждого режима. В данном разделе представлены примеры расчета процесса сгорания в дизелях разной размерности,быстроходности и уровня форсирования.На рис. 4.1 представлены расчетные зависимости давления в цилиндре ри кривые скорости тепловыделения dx/dφ в сравнении с экспериментальнымиданными для двигателя КамАЗ 7405 (S/D=120/120) при его работе по внешнейскоростной характеристике. Изображения развития струй соответствуют моментам окончания впрыскивания.
Все результаты получены с неизменнымизначениями эмпирических коэффициентов. Экспериментальные данные былипредставлены ОАО КамАЗ. Параметры топливоподачи представлены в таблице13. Цикловая подача топлива gC на всех трех режимах приблизительно одинаковая, но продолжительность впрыскивания τinjвыше на частичном режиме.Таким образом, струи на частичных режимах внешней характеристики имеютбольше времени для развития в менее плотном заряде, именно поэтому площадь пристеночных потоков на частичных режимах существенно больше, чемна режиме полной мощности.- 162 -n=2200 мин-1n=1400 мин-1n=1000 мин-1Рис. 4.1.
Результаты расчета рабочего процесса дизеля Камаз 7405при его работе по внешней скоростной характеристикеТаблица 13.Параметры топливоподачи дизеля КамАЗпри его работе по внешней скоростной характеристикеn, мин-1gC, грвпр_max, барτ inj, c22000,07876721,61 10 -314000,08385301,82 10 -310000,08183522,34 10 -3- 163 -Сопоставление интегральных параметров двигателя в функции от частоты вращения коленчатого вала представлено на рис. 4.2. вместе с диаграммамиобразования и выгорания сажи, вычисленными для каждого из режимов по методике, изложенной в параграфе 2.4.Рис. 4.2.
Изменение параметров дизеля КамАЗ 7405 по внешней скоростнойхарактеристике: а) мощность и расход топлива; б) эмиссия сажи по шкалеХартриджа; в) динамика образования и выгорания сажи dSmoke/dφРезультаты расчета рабочего процесса дизеля ЯМЗ 238Д во всем диапазоне рабочих режимов представлены на рис. 4.3. Сравнение расчетных данныхс результатами экспериментов для 6 режимов работы представлены на рис. 4.4.Все расчеты выполнены с идентичными значениями эмпирических коэффициентов. Экспериментальные данные предоставлены ОАО Автодизель. Характе-- 164 -ристики впрыскивания для каждого расчетного режима получены А.П. Перепелиным с помощью гидродинамического расчета процесса топливоподачи[149, 150].Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
