Диссертация (1024783), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Разлейцевым и в дальнейшем доработанныйпрофессоромхарактеристикиА.С.Кулешовым.впрыска,РК-модельвключаяучитываетмногофазныйособенностивпрыск,мелкостьраспыливания топлива, ориентацию струй в объеме КС, динамику развитиятопливных струй, взаимодействие струй с воздушным вихрем и стенками.Учитываются условия развития каждой топливной струи и образованныхструями пристеночных потоков, а также их взаимодействие между собой. Посвоей идеологии РК-модель близка к модели, разработанной профессором Х.Хироясу, хотя имеет существенные отличия, главным образом связанные сболее детальным рассмотрением взаимодействия топливных струй состенками и между собой.При расчете процессов распыливания топлива и последующегосмесеобразования выделяются два участка развития струи: начальныйучастокпульсирующегопорционногоразвитияиосновнойучастоккумулятивного развития.
В процессе движения струи рассчитываются долитоплива, попавшего в характерные зоны с разными условиями испарения игорения, включая пристеночные зоны на стенке КС, на гребне поршня, назеркале и крышке цилиндра (Рис. 3.2). Траектории движения свободныхструй, а также движение образованных ими пристеночных потоковрассчитываются с учетом переносного воздействия тангенциального вихря,136задаваемого вихревым числом Н, а также с учетом величины углов встречисвободных струй со стенками КС.Рис. 3.2. Расчетная схема топливной струи в камере сгорания дизеля: 1 –разреженная оболочка струи; 2 - уплотненное осевое ядро; 3 – уплотненныйпередний фронт; 4 – разреженная оболочка пристеночного потока; 5 –уплотненное ядро пристеночного потока: 6 – передний фронт пристеночногопотока; 7 – конусообразное осевое ядро пристеночного потокаВ процессе топливоподачи и развития топливных струй скоростьсгорания лимитируется, главным образом, скоростью испарения топлива вусловиях камеры сгорания.
В свободно развивающейся струе зонамиинтенсивного теплообмена и испарения распыленного топлива являютсяпередний фронт и оболочка струи (Рис. 3.3). В высокоскоростном и плотномосевом потоке прогрев и испарение капель топлива незначительны. Принабегании струи на стенку скорость испарения топлива, скопившегося впереднем фронте, резко снижается до минимума в момент завершенияукладки фронта на стенку КС.
Это вызвано более низкой по сравнению сгазовым зарядом температурой стенки, уменьшением обдува капель,уплотнением капельно-газовой смеси на стенке, слиянием и перемешиваниемавангардных капель с подлетающими к стенке КС более холодными каплями.После укладки фронта на стенку КС двухфазная смесь начинает растекаться137по стенке за пределы конуса струи. Скорость испарения топлива впристеночной зоне увеличивается, хотя и остается меньшей, чем в объемеКС. При растекании по гребню поршня часть топлива может проникнуть внадпоршневой зазор, попасть на крышку и стенки цилиндра.Рис. 3.3.
Визуализация смесеобразования и сгорания в КС дизеля: 1-5 –распределение топлива по зонам струи; 6-8 – характеристики впрыскивания итепловыделения по углу поворота коленчатого вала; 1 – разреженнаяоболочка струи и пристеночного потока; 2 – ядро свободной струи; 3 – ядропристеночного потока; 4 – топливо, осевшее на крышке цилиндра; 5 –топливо, попавшее на зеркало цилиндра; 6 – характеристика впрыскивания(закон подачи dq/dφ); 7 – характеристика тепловыделения dx/dφ; 8 –интегральная характеристика тепловыделенияСкорость испарения топлива, поступившего в каждую из названных зонинтенсивного теплообмена, равна сумме скоростей испарения отдельныхкапель.
Испарение каждой капли до и после воспламенения топливаподчиняетсязаконуБ.И.Срезневского.Топливнаяаппаратурафорсированных дизелей обеспечивает довольно однородное распыливание138топлива, особенно на основном участке впрыскивания. Поэтому расчетиспарения топлива можно проводить по капле среднего диаметра d32.Для расчета скорости испарения определяются константы испарениятоплива в различных зонах струи.
Оценка констант производится с учетомряда параметров, среди которых критерий Нуссельта (W. Nusselt) дляпроцессов диффузии; коэффициент диффузии паров топлива, отнесенный кградиенту парциальных давлений; давление насыщенных паров; плотностьжидкого топлива; характерные давления и температуры, в том числетемпературы стенок КС, на которые попало топливо.В расчетной модели тепловыделения выделены четыре периода,отличающиесяфизико-химическимиособенностямиифакторами,лимитирующими скорость процесса: период задержки воспламенения,период начальной вспышки, период управляемого сгорания на участкетопливоподачи после вспышки, период диффузионного горения послеокончания топливоподачи. По окончании периода задержки воспламенения(ПЗВ) происходит взрывное распространение пламени по активированнойсмеси в оболочке струи.
Первый максимум скорости тепловыделениязависит, в основном, от доли цикловой порции топлива, испарившейся заПЗВ, степени активации паров, скорости испарения топлива в периодвспышки, т.е. от массы впрыснутого топлива, качества его распыливания имакрораспределения, времени испарения, физико-химических, термо- игазодинамических характеристик горючей смеси.После начальной вспышки и выгорания паров топлива, образовавшихсяза ПЗВ, скорость тепловыделения определяется, в основном, скоростьюиспарения топлива и скоростью догорания продуктов неполного сгорания вобъеме цилиндра, которая в свою очередь зависит от средней концентрациинеиспользованного кислорода (см.
Рис. 3.3). В период диффузионногогорения, после окончания впрыска и завершения развития струй, происходитсначала резкое, а затем замедленное снижение скорости сгорания. Это139связано с уменьшением массы невыгоревшего топлива и с лимитирующейролью процесса диффузии в этот период, пламя распадается на множествоочагов вокруг локальных скоплений топлива в ядрах струй.
Еслизначительная часть топлива распределяется на стенках камеры в поршне,особенно на стенках вблизи крышки цилиндра, то в интервале 15-30 град.поворота коленчатого вала (п.к.в.) после верхней мертвой точки (ВМТ) нахарактеристиках тепловыделения наблюдается еще один небольшой пик. Этосвязано с возмущением и разрушением квазиламинарного пристеночногослоя при резком удлинении газового столба над соответствующейповерхностью.Математическая модель газообмена учитывает нестационарное течениегаза в каналах, влияние соседних цилиндров и устройство преобразователяимпульсов.
Весь газовоздушный тракт комбинированного ДВС, состоящийизвпускногоколлектора,впускныхклапанныхканалов,цилиндра,выпускных клапанных каналов, выпускного коллектора и преобразователяимпульсов условно разбит на фрагменты, обменивающиеся между собоймассой и энергией. Для каждого из фрагментов решается система уравненийсохранения массы, энергии, количества движения и уравнение состояния сосвоими, характерными для данного фрагмента допущениями.
В каждомфрагменте, кроме преобразователя импульсов учитывается теплообмен состенками. В протяженных фрагментах с высокими градиентами давлениятечение рассматривается как одномерное, нестационарное. При этомиспользуется методика расчета параметров в протяженном фрагменте,впервые предложенная профессором А.С. Орлиным.При расчете параметров газа в выпускном коллекторе граничныеусловия со стороны турбины задаются уравнением аппроксимирующим еерасходную характеристику. Для расчета смешения потоков из двухколлекторов в преобразователе импульсов, расположенном перед турбинойили непосредственно в ее улитке, используется система уравнений эжектора.140Давление и температура ОГ в первом выпускном коллекторе определяютсяиз системы уравнений сохранения, записанных для одного выпускногоколлектора, которая решается совместно с системами уравнений дляцилиндра и впускного коллектора.
Параметры во втором выпускномколлекторе принимаются по первому коллектору со сдвигом по углуповорота коленчатого вала на величину 360 / iцил ,где iцил – число цилиндров выходящих в один выпускной коллектор.Скорость газа поступающего из коллекторов в зону смешения определяетсяиз уравнения Бернулли для несжимаемой жидкости.Полное давление ОГ и их температура в зоне смешения определяется поразличным методикам, в зависимости от конструкции преобразователяимпульсов. Далее по расходной характеристике турбины определяетсярасход газа при полученных параметрах торможения.
Во время продувкицилиндра четырехтактного ДВС используется допущение о «полномперемешивании» и мгновенном распространении возмущений. Весь объемцилиндра представляет собой единую термодинамическую систему, вкоторой и определяются параметры газа.Параметры турбин и компрессоров учитываются разными способами:задаются в явном виде, вычисляются из условия баланса турбины икомпрессора, определяются путем согласования характеристик турбины икомпрессора. Методика совместного расчета поршневого ДВС и агрегатовнаддува на различных режимах позволяет прогнозировать скоростные,нагрузочные,высотныеидругиехарактеристикикомбинированныхдвигателей. Возможен подбор агрегатов наддува для обеспечения требуемыххарактеристик комбинированного двигателя.141Теплообментемпературымоделируетсякоторыхраздельнодляопределяютсяразныхпутемповерхностей,решениязадачитеплопроводности. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке цилиндраопределяется по формуле профессора Г.
Вошни (G. Woschni), первыемодификации которой были опубликованы в 1965-1968 г.г. В основеформулы Г. Вошни лежит критериальная зависимость для теплообмена приналичии турбулентного пограничного слоя (n = 0,8): 1100,8 0,8PпрTг0,53 D 0, 2,где Tг – термодинамическая температура, [K]; Pпр – давление припрокручивании коленчатого вала (без сгорания), [бар]; D – диаметрцилиндра, [м], ω – скоростной фактор: ω=6,18 Сm – для продувки инаполнения, ω=2,28 Сm – для процесса сжатия, 2,28 Cm 3,24 10 3Vh Ta( P Pпр )Pa Va– для сгорания и расширения, т.е. ω = c1 Сm + c2 ΔP. Здесь: P – текущеедавление, Vh – рабочий объем цилиндра; Va – объем цилиндра в началесжатия; Pa и Ta – параметры газа в начале сжатия, c1 и c2 – константы.Скоростной фактор имеет различное влияние на отдельных участкахрабочего цикла, уровень нагрузки и форсировки двигателя учитывается черезначальные параметры сжатия и приращение давления относительно линиисжатия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
