Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 26
Текст из файла (страница 26)
4.14 представлено изображение струй топлива и пристеночных потоков в камере сгорания типа«мелкий Гессельман» дизеля Д49. Струя, встречаясь с поверхностью поршняпод острым углом, образует относительно узкий и вытянутый в радиальномнаправлении пристеночный поток. Такая форма пятен позволяет увеличить количество сопловых отверстий и сократить продолжительность впрыскивания.Тогда как в обычной, глубокой КС, это мероприятие привело бы к избыточному перекрытию пристеночных потоков с вытекающими отсюда негативнымипоследствиями. С другой стороны – с применением мелкой КС ужесточаютсятребования к точности ориентации сопловых отверстий дабы избежать попада-- 176 -ния топлива на зеркало цилиндра. Эти выводы подтверждаются как экспериментальными данными самого Коломенского завода, так и аналитическими материалами зарубежных компаний.Рис.
4.14. Результаты расчета тепловыделения в дизеле Д49 при двухразовомвпрыскивании: а) конец пилотного впрыскивания;б) конец основного впрыскиванияОдним из интенсивно развивающихся направлений снижения эмиссииоксидов азота в дизелях является применение PCCI процесса (Premixed ChargeCompression Ignition), когда одна или несколько пилотных порций подаются вцилиндр с большим опережением (до 140 градусов перед ВМТ). Несколько пилотных порций подаются для того, чтобы избежать попадания топлива на зеркало цилиндра. Одна длинная струя, не имея преграды (из-за положения поршня вдали от ВМТ) в условиях разреженного заряда легко достигает зеркала цилиндра.
Серия же коротких струй развивается только в объеме цилиндра, по-- 177 -вышая долю объемного смесеобразования, и не достигает зеркала цилиндра.Задача оптимизации продолжительности пилотных порций топлива можетбыть решена расчетным путем, с помощью приведенной модели смесеобразования. Для иллюстрации возможности расчетной методики были проведенырасчеты процесса смесеобразования и сгорания в дизеле Peugeot DW10-ATED4(D/S = 85/88 мм) и номинальной частотой вращения n = 4000 мин-1. На рис.
4.15приведены результаты расчета смесеобразования и тепловыделения в указанном дизеле при тройном впрыскивании пилотных порций в сравнении с экспериментальными данными на режиме n=2600 мин-1, ре=8,54 бар, степень рециркуляции ОГ: 9.8%.Рис. 4.15. Результаты расчета тепловыделения в дизеле Peugeot DW10-ATED4 спроцессом PCCI: общая доля пилотных порций: 35%, n=2600 мин-1- 178 -Исходные данные для расчета, форма камеры сгорания, конструкцияраспылителя (6 x 0.14), стратегии впрыскивания были взяты из опубликованного экспериментального исследования [153], проведенного в Юго-западном исследовательском институте (США).Общая доля трех пилотных порций составляет 35% от общей цикловойподачи топлива. На изображениях развития струй, соответствующих моментамокончания впрыскивания порций, видно, что струи первой и второй пилотныхпорций не достигают стенки зеркала цилиндра, струя третьей пилотной порциидостигает уже стенки подошедшего поршня.
В результате, удельный эффективный расход топлива составил 230 г/кВтч, эмиссия NOx составила 2.45г/кВтч. При уменьшении общей доли двух пилотных порций до 15% (с тем жеопережением впрыскивания 70 град. до ВМТ), рис. 4.16, их струи уже не достигают поверхности зеркала цилиндра. Скорость впрыскивания и тепловыделения для этого случая показаны на рис. 4.16. (Режим работы двигателя тот же:n=2600 мин-1, ре=8.54 бар, степень рециркуляции ОГ: 9.8%.)Рис. 4.16. Результаты расчета тепловыделения в дизеле Peugeot DW10-ATED4 спроцессом PCCI, общая доля двух пилотных порций: 15%, n=2600 мин-1- 179 -В результате снижения общей доли пилотных порций с 35% до 15%,удельный эффективный расход топлива снизился на 2 г/кВтч, а эмиссия NOxсократилась вдвое и составила 1,18 г/кВтч. Полученные результаты легко объяснимы: меньшая доля пилотных порций вызывает умеренный первый пик тепловыделения, а основная порция топлива сгорает по диффузионному механизму без задержки самовоспламенения.Анализ полученных расчетных данных в сопоставлении с результатамиизмерений показывает, что представленная модель сгорания в дизеле не нуждается в трудоемкой настройке (идентификации) и позволяет достаточно надежно моделировать и исследовать процессы в перспективных дизелях с многоразовым впрыскиванием.4.3.
Результаты расчета тепловыделения в дизеляхс боковым расположением форсунокПрименение феноменологических моделей для расчета сгорания в дизелях с центральным расположением форсунки является вполне заурядным, дляэтого используются известные модели, упомянутые в третьей главе настоящейработы, а также 3D модели в сочетании с термодинамическими программами[15]. Процесс смесеобразования в двухтактных дизелях с боковым расположением форсунок гораздо более сложен из-за более сложного влияния вихря инеобходимости учета влияния горячих стенок крышки цилиндра, куда неизбежно попадает топливо в двухтактных низкооборотных двигателях на режимах большой мощности.
В двигателях с противоположно движущимися поршнями оптимизация направленности сопловых отверстий боковых форсунокчрезвычайно актуальна: ее задачей является предотвращение попадания топлива на зеркало цилиндра и предотвращение столкновения струй и пристеночныхпотоков на поверхности поршня. Расчет этих процессов на сегодняшний день- 180 -проводится только методами CFD, требующими больших вычислительных ресурсов. Применение приведенной в данной работе методики расчета позволяетв кратчайшие сроки проводить расчетную оптимизацию процесса смесеобразования двухтактных двигателей без использования мощных компьютеров.
Пример применения предложенной модели сгорания для расчета смесеобразованияи сгорания в двухтактном дизеле 10Д100 (10ДН 20,7 / 2х25,4) с противоположно движущимися поршнями на режиме: Nе=2200 кВт, n=850 мин-1 представленна рис. 4.17.Рис. 4.17. Расчет процесса сгорания в двухтактном дизеле 10Д100(10ДН 20,7 / 2х25.4) на режиме: Nе=2200 кВт, n=850 мин-1- 181 -На рис.
4.17 представлены: а) расчетная и опубликованная зависимостискорости тепловыделения от угла поворота коленчатого вала; б) скоростьвпрыскивания и давление впрыскивания; в) расположение распылителей; г)эпюра тангенциального вихря в КС; д) конфигурация струй топлива по мере изразвития. Исходные данные для расчета: конструкция окон двигателя, фазы газораспределения, параметры рабочего процесса, характеристика впрыскиванияи конструкция распылителей взяты из опубликованных результатов исследований этого двигателя [36, 37, 39].
На рис. 4.17-д представлены полученные расчетом конфигурации топливных струй по мере их развития в процессе впрыскивания из одной форсунки. Предполагается, что развитие струй от второйфорсунки полностью симметрично, и потому не показано. Продольные сечениясделаны по оси струи №1. Возможности программы отображать развитиеструй, полученное на основе расчета, позволяет оптимальным образом проектировать ориентацию каждого соплового отверстия в распылителе в двух плоскостях. Отличие расчетной кривой скорости тепловыделения (рис. 4.17-а) отопубликованной в работе [38] может объясняться низкой точностью последней, приведенной лишь для примера общего характера тепловыделения в этомдвигателе на данном режиме. Эпюра вихря рассчитана на основе данныхА.С.Орлина и М.Г.Круглова [36] по методу [122]. Сравнение расчетных интегральных показателей рабочего процесса дизеля 10Д100 с опубликованнымиэкспериментальными данными приведено в таблице 14.Таблица 14.Интегральные параметры дизеля 10Д100 на режиме полной мощностиОпубликованоРасчет∆%Мощность, кВт при n=850 мин-1220822341,2Уд.
эффект. расход топлива, г/кВт ч2252281,3Максимальное давление цикла, бар95961Параметр- 182 -Результаты аналогичного расчета проведенного для малооборотногодвухтактного крейцкопфного дизеля 6ДКРН 74/160 на режиме: Nе=7800 кВт,n=120 мин-1 представлены на рис. 4.18.Рис. 4.18. Расчет процесса сгорания в двухтактном дизеле 6ДКРН 74/160 нарежиме: Nе=7800 кВт, n=120 мин-1: а) скорость впрыскивания; б) расположениераспылителей; в) скорость тепловыделения; г) эпюра тангенциального вихря вКС; д) конфигурация струй топлива по мере из развития (продольное сечениесделано по оси струи №4)Исходные данные для расчета: конструкция окон и клапана, фазы газораспределения, конструкция распылителей форсунок, параметры рабочего процесса взяты из работ [39, 40].
Анализ распределения впрыснутого топлива по- 183 -по характерным зонам показывает, что топливо от всех струй в конце процессавпрыскивания попадает на стенку цилиндра, рис. 4.19-а. Последствия этогопопадания в четырехтактном двигателе с низкой температурой этих стенок были бы весьма негативными и привели бы к существенному росту расхода топлива и эмиссии сажи, а также к попаданию топлива в масло. Здесь же, благодаря особой конструкции крышки цилиндра и высокой температуре стенок:360÷4000 С, (характерной для двигателей такого класса, рис.
4.19-б) скоростьиспарения остается такой же, как на горячем поршне и высокая топливная экономичность дизеля сохраняется. Сопоставление интегральных результатоврасчета с опубликованными данными представлено в таблице 15.Сечение по струеДоля топлива настенке цилиндраСтруя №1: 11,8%Струя №2: 11,9%Струя №3: 3,8%Струя №4: 4,2%Рис. 4.19. Попадание топлива на стенку цилиндра от разных струй вдвухтактном дизеле 6ДКРН 74/160 на режиме: Nе=7800 кВт, n=120 мин-1:а) конфигурации струй и распределение топлива на стенку цилиндра;б) характерные температуры поверхностей деталей, образующихкамеру сгорания [154]- 184 -Таблица 15.Интегральные параметры дизеля 6ДКРН 74/160 на режиме полной мощностиОпубликованоРасчет∆%Мощность, кВт при n=120 мин-1780178831Уд.
эффект. расход топлива, г/кВт ч208205.71Максимальное давление цикла, бар73.571.13.2Параметр4.4. Выводы по главеАнализ экспериментальных данных (как опубликованных, так и предоставленных компаниями изготовителями двигателей) и представленных в данной главе расчетных данных, а также их сопоставление между собой, позволяют сделать вывод о достаточной точности разработанной математической модели сгорания в дизеле и возможности ее применения для моделирования, исследования и доводки процесса смесеобразования и сгорания, как в четырехтактных дизелях с центральной и смещенной форсунками, так и в двухтактныхдизелях с боковым расположением форсунок. Модель процесса сгорания показала устойчивую работу и возможность без перенастройки эмпирических коэффициентов с высокой точностью описывать процесс сгорания в дизелях разной размерности, быстроходности и уровня форсирования, при их работе наразных режимах.- 185 -5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
