Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Это допущение существенно упрощает расчет и не вносит заметных погрешностей в результаты.При термодинамическом подходе цилиндр рассматривается как открытая термодинамическая система, или как сочетание нескольких термодинамическихсистем. Поле скоростей в нем не рассматривается, давление и температурувнутри каждой термодинамической системы считают не зависящими от координат, а зависящими только от времени (угла поворота коленчатого вала). Втерминах численных методов механики жидкости и газа: весь цилиндр это однаячейка, для которой решается система уравнений баланса массы и энергии совместно с уравнением состояния:- 16 ndU=−pdV+dQ−dQ+dI *j ;∑XWj =1ndG = ∑ dG j ;,j =1pV = GRT(1.1)где: U – внутренняя энергия; р – давление; Т – температура; dQW – теплота переданная в стенки; dQX – теплота от сгорания; dI*j – полная энтальпия подведенная к рабочему телу с массой dGj от j-того источника массы (энтальпия рассчитанная по параметрам торможения); G – масса рабочего тела, R – газоваяпостоянная.Расчет теплообмена со стенками, как правило, не требует больших вычислительных мощностей.

Для вычисления количества теплоты переданного встенки используется уравнение Ньютона-Рихмана: dQW = αW FW (T − TW ) ∆τ , где:αW = f(φ) – коэффициент теплоотдачи от газа к стенкам (существует большоеколичество формул для расчета αW в зависимости давления и температуры вцилиндре, а также от размеров цилиндра и режимных параметров, наибольшеераспространение получила формула Вошни [1]); FW = f(φ) – текущая площадьтеплообмена газа со стенками (во многих программах теплообмен рассчитывают отдельно для разных поверхностей: для поршня, для крышки цилиндра, длявтулки цилиндра и даже для тарелок клапанов); ТW – температура тепловоспринимающей поверхности; ∆τ = ∆φ / (6 n) – шаг расчета по времени; ∆φ – шаграсчета по углу поворота коленчатого вала (обычно не более чем 1 градус поворота кривошипа); n – частота вращения коленчатого вала.Расчет сгорания в настоящее время является наиболее сложным и вместес тем, самым актуальным фрагментом математической модели ДВС, особенно всвете решения экологических проблем.

Целью его является определение количества теплоты, выделившейся на каждом расчетном шаге:dQ X = g C H Udx∆φ , где: gC – цикловая подача топлива, HU – низшая теплоdφта сгорания, dx/dφ = f (φ) – скорость тепловыделения. Расчет скорости тепловы-- 17 -деления представляет основную трудность из-за необходимости учета всегомногообразия влияющих факторов, таких, как форма камеры сгорания, параметры топливоподачи и др. Актуальность корректного определения скороститепловыделения возрастает еще и в связи с необходимостью расчета эмиссиивредных веществ с выхлопными газами ДВС, которая сильно зависит от особенностей процесса сгорания.Совершенных математических моделей для корректного расчета сгораниядо недавнего времени просто не существовало. Простые модели сгорания, разработанные В.И.

Гриневецким [2], И.И. Вибе [3], Ватсоном (Watson) [75], итакже другими авторами [76 - 79] не требуют сколько-нибудь ощутимых вычислительных ресурсов, однако они не позволяют учитывать особенности конструкции камеры сгорания ДВС и его топливной аппаратуры, а также влияниережимных параметров. А ведь исследование влияния именно этих аспектов организации рабочего процесса ДВС приобретает особую актуальность в настоящее время в свете решения экологических проблем. Для учета этих факторов сконца 70-х годов стали развиваться методы расчета сгорания в дизеле, построенные на основе многозонной модели струи. Самой известной их них, получившей наибольшее распространение в инженерной практике во всем мире,стала феноменологическая модель Хироясу (Hiroyasu) [4].

В СССР была разработана и внедрена в инженерную практику модель Н.Ф. Разлейцева [5]. В дальнейшем эта модель получила развитие, направленное на более детальный учетвзаимодействия топливной струи со стенками камеры сгорания [6].Современные феноменологические модели сгорания в дизеле логическисложны, но больших вычислительных ресурсов не требуют. Время расчета сгорания в дизеле с одноразовым впрыскиванием с помощью модели Хироясу составляет порядка 1 минуты (на компьютере с процессором Pentium IV), модельРазлейцева требует 1-2 секунды при условии удачной реализации компьютерного кода.Расчет газообмена.

Исторически сложилось так, что наибольшие трудности в прошлом вызывал расчет процесса газообмена (сейчас наибольшие- 18 -трудности вызывает расчет процесса сгорания). К математической модели газообмена предъявляются высокие требования по точности и быстродействию, таккак в термодинамических моделях ДВС именно на него приходится большаячасть времени счета ЭВМ. Расчет процесса газообмена исключительно важендля правильного расчета внутрицилидровых параметров: нужно корректно определять массу рабочего тела, его давление, состав и температуру в момент закрытия впускных органов для последующего расчета сжатия, сгорания и расширения, а также для оценки работы насосных ходов, качества очистки и наполнения цилиндра.

Наиболее простой способ расчета газообмена – квазистатический [7], с рассмотрением впускного и выпускного трубопроводов, как открытых термодинамических систем. Расчетная схема такого подхода представлена на рис. 1.1.Рис. 1.1. Расчетная схема ДВС с 0-мерным представлениемвпускного и выпускного трубопроводовДля обоих коллекторов в этом случае применяются те же допущения, чтои для цилиндра:- о мгновенном распространении возмущений;- о мгновенном перемешивании;- об отсутствии зависимости параметров газа от координат.Коллекторы рассматриваются как единые объемы, поле скоростей в нихне рассматривается, давление и температуру считают не зависящими от координат, а зависящими только от времени (угла поворота коленчатого вала).

Параметры газа в коллекторах определяются из системы уравнений, содержащей- 19 -уравнения сохранения массы и энергии, а также уравнение состояния (1.1). Допущение о независимости параметров газа в коллекторе от координат делаетвозможным рассчитывать рабочий процесс только в одном цилиндре, считая,что остальные цилиндры работают идентично. Потоки массы dGj и энтальпииdI*j поступающие в коллекторы от соседних цилиндров берутся по осредненному цилиндру с соответствующим сдвигом по времени. Подбор начальных условий ведется методом установления: расчет продолжается до тех пор, покадавление и температура в коллекторах не станут периодическими функциями.В простейшем случае масса dGj и энтальпия dI*j перетекающего из цилиндра в коллектор газа, определяется по уравнению стационарного течения:dG j = W0 ρ µf ∆τ;dI *j = dG j C P T c − α Wcr FWcr (T − TWcr ) ∆ τ ;2kR ⋅ Tck +1k −1W0 = pr k  2k k − 1 R ⋅ Tc 1 −  p    c  IFIF(1.2)kpc  k + 1  k −1 ≥pr  2  k ,pc  k + 1  k −1 <pr  2  где: pc, Tc – давление и температура газа в цилиндре, pr – давление газа в выпускном коллекторе, ρ – плотность газа в цилиндре, μf – площадь эффективного проходного сечения на данном расчетном шаге, αWсr – коэффициент теплоотдачи от газа к стенкам канала, FWcr – площадь теплообмена в канале, ТWcr – температура стенки канала, Wo – скорость стационарного течения.Однако использование стационарных зависимостей (1.2) для расчета скорости течения на каждом расчетном шаге вносит существенные погрешности врезультаты расчета периода свободного выпуска и вызывает неустойчивостьрасчета во время продувки, когда объем цилиндра мал [8].

Для повышения устойчивости и точности расчета уменьшают расчетный шаг до 0,1…0,2 градусаповорота коленчатого вала двигателя. Однако это приводит к многократномуросту времени счета и лишь частично решает проблему точности. Гораздо более эффективным является использование для расчета скорости истечения за-- 20 -висимостей, полученных А.С. Орлиным для нестационарного течения [2]:dG j = 0.5 (WL + W1 ) ρ µf ∆τ W ⋅ ∆τ(W1 + W0 ) ⋅ exp 0 lcrWL = W ⋅ ∆τ(W1 + W0 ) ⋅ exp 0 lcr; + (W1 − W0 ), − (W1 − W0 )(1.3)где: WL - скорость в конце канала в конце расчетного интервала времени, W1 скорость в конце канала в начале расчетного интервала времени, lcr - длина канала.

Такой подход практически не сказывается на скорости счета, зато делаетрасчет устойчивым и гораздо более точным, а также существенно расширяетобласть применения модели газообмена на основе 0-мерного представленияколлекторов. Опыт расчета разных двигателей с помощью описанного подходапоказывает хорошую точность при моделировании газообмена, как в высокооборотных двигателях, так и в двухтактных ДВС.Однако существуют задачи, которые принципиально не могут быть решены в рамках 0-мерных представлений.

Это задачи, где неприемлемо допущениео независимости параметров газа от координат:- исследование неравномерности наполнения по цилиндрам,- проектирование трубопроводов для динамического наддува.Элементы газовоздушного тракта в общем случае могут иметь большуюпротяженность по длине, источники и стоки массы, работающие в пульсирующем режиме, могут быть разнесены на значительное расстояние, трубопроводымогут иметь сложную конфигурацию. Все это приводит к тому, что при моделировании процессов в трубопроводах, порой нельзя использовать допущение онезависимости параметров рабочего тела в них от координат. В этом случае,коллекторы необходимо рассматривать в нестационарном, 1-мерном представлении, т.е. к уравнениям сохранения массы и энергии добавляется уравнениесохранения импульса, но в силу протяженности трубопроводов, эту уже не термодинамическую, а газодинамическую систему уравнений приходится решать вкаждой ячейке, на которые разбиваются коллекторы (рис.

Характеристики

Список файлов диссертации