Диссертация (1024783), страница 20

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

Текст из файла (страница 20)

Учитывается реальный размер цилиндра, а температура находится вотрицательной степени, что характерно для критериальных уравнений.Формула Вошни учитывает и лучистый теплообмен, т.е. она построена напозициях сложного радиационно-конвективного теплообмена.142Программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК включает подпрограмму расчетаобразования оксидов азота в цилиндре ДВС, основанную на термическоммеханизме на основе схемы академика Я.Б. Зельдовича.

Определение составапродуктов сгорания осуществляется по 18 компонентам. Для определениятемператур используется зонная модель (методика профессора В.А. Звонова).При математическом моделировании сгорания и образования оксидов азота вдвигателе процесс сгорания был условно разделен на две зоны: зону свежейсмеси и зону продуктов сгорания. Зона свежей смеси представляет собойсмесь остаточных газов с воздухом, поступившим в цилиндр принаполнении. Перед началом сгорания эта зона занимает весь объемцилиндра. В ходе сгорания происходит увеличение объема зоны продуктовсгорания. При разработке двухзонной математической модели процессасгорания принято допущение, что горение топлива в цилиндре протекает слокальным коэффициентом избытка воздуха α в зоне горения, значениекоторого в процессе сгорания изменяется от его начальной величин гн<1 догн=1.Текущее значение коэффициента избытка воздуха г на участкесгорания определяется линейной зависимостью: г   гн 1   гнz,где z – продолжительность процесса сгорания, град.

п.к.в.;  – текущеезначение угла поворота кривошипа от начала сгорания, град. п.к.в.Расчет температуры продуктов сгорания в зоне сгорания выполняется поформуле:143Т пс 1  rпсВ  4 А{[ H см (Tсм )  H см (Tср )]  ATср2  BTср }  Brпс,2Агде А и В – коэффициенты уравнения для энтальпии продуктов сгорания,которая может быть выражена в виде:H пс (Т пс )  А  Т пс 2  В  Т пс  С , кДж/кмоль.Коэффициенты А, В, С определяются в результате специальных расчетов,например, для продуктов сгорания дизельного топлива: A=0,000966;B=35,4882 + 0,47283 P ); rпс – доля продуктов сгорания в заряде цилиндра; P –давление в цилиндре в конце расчетного участка, МПа; Тсм – температурасвежей смеси в конце расчетного участка, К; Тср – средняя температуразаряда в конце расчетного участка, К; Нсм – энтальпия свежей смеси,кДж/кмоль:Энтальпия свежей смеси определяется из выраженияH см (Т см )  [aсм  8,314  bсмТ см / 2  ссмТ см 2 / 3]  Т см ,где aсм, bсм, cсм – коэффициенты уравнения истинной мольной изохорнойтеплоемкости сжимаемого заряда.

Поскольку для условий сгорания топлив вдвигателях внутреннего сгорания определяющим является образование«термических» оксидов азота, то в предлагаемой модели все расчетыпроизводятся по термическому механизму.Окисление азота в КС дизеля происходит по цепному механизму,основные реакции которого имеют вид:144O2  2O,(3.1)N2 + O  NO + N,(3.2)N + O2  NO + O.(3.3)Определяющей является реакция (3.3), скорость которой зависит отконцентрации атомарного кислорода.

Расчет образования NO по уравнениюцепного механизма производится для зоны сгорания, затем определяетсясредняя по КС концентрация NO. Объемная доля оксида азота в продуктахсгорания rNO, образовавшихся в зоне на данном шаге расчета, определяется ввиде:7drNOdP  2,333 10  e38020TпсRTпс (1  rN 2eq  rO eq  [1  (2346eTпс3365TпсrNO 2) ]rNO eq1rNO)rO 2eq,где P – давление в цилиндре, Па; Tпс – температура в зоне продуктовсгорания, К; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К);  – угловаяскорость коленчатого вала, рад/с; rNOконцентрацииоксидаазота,eq,rN2eq,rOмолекулярногоeq,rO2азота,eq– равновесныеатомарногоимолекулярного кислорода, соответственно.Равновесные концентрации компонентов рассчитываются на каждомшаге расчета.

Расчет ведется для 18 компонентов ОГ: O, O2, O3, H, H2, OH,H2O, C, CO, CO2, CH4, N, N2, NO, NO2, NH3, HNO3, HCN. Для этого решаетсясистема из 14 уравнений равновесия, трех уравнений материального балансаи уравнения Дальтона. При этом доля оксида азота в целом по КС (цилиндру)145rNOцопределяетсяввидепроизведенияравновеснойконцентрациимонооксида азота rNO и равновесной концентрации продуктов сгорания rпс:rNOц=rNO rпс.Удельный массовый выброс монооксида азота NO вычисляется поформуле, г/(кВт·ч):eNOx 30  rNO  M ПС3600000 ,Lц  мгде Мпс – количество продуктов сгорания в конце процесса сгорания, кмоль;Lц – работа, выполненная за весь рабочий цикл, кДж; м – механический КПДдвигателя.Программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК включает подпрограмму расчетаэмиссии сажи, основанную на методике профессора Н.Ф.

Разлейцева, вкоторой сделана попытка учета влияния особенности процесса горенияраспыленного топлива на образование и выгорание сажевых частиц.Принято, что сажевые частицы образуются преимущественно двумя путями:в результате цепного деструктивного превращения молекул топлива,диффундирующих от поверхности капель к фронту пламени, и вследствиевысокотемпературной термической полимеризации и дегидрогенизациипарожидкостного ядра испаряющихся капель топлива. Параллельно этимдвум процессам происходит процесс выгорания сажевых частиц иуменьшения их объемной концентрации вследствие расширения.В предлагаемой методике скорость сажеобразования в зоне горенияопределяется из соотношения:146(q dxd [C ]) К  0,004  с,dV dгде V – текущий объем цилиндра; qc – цикловая подача топлива; dx/d –скорость тепловыделения.Скорость сажеобразования по механизму полимеризации ядер капельпропорциональна скорости исчезновения жидких капель вследствие ихполного испарения.

Для разных процессов она вычисляется по разнымзависимостям. На участке впрыскивания использована зависимость:(qd [C ]) П  1,7  сdV1  exp[(K n') ]d32 впр,где  – текущее время от начала впрыскивания; впр – продолжительностьвпрыскивания; n' – характеристика распределения (для дизельных форсунокn' = 2..4); K – константа испарения; d32 – средний диаметр капель по Заутеру.Для периода после окончания топливоподачи использована формула:(n'qсd [C ]K n 'K n') П  0,0028(1  хквпр )() exp() ,dd322V 2 d32где 2 – текущее время от конца подачи топлива; квпрвыделившейся к концу топливоподачи.Скорость выгорания сажи определяется по выражению:(d [C ]) B  3,1 10 6  n 0,5  p[C ] ,d– доля теплоты,147где p – текущее давление в цилиндре, МПа; [C] = C / V – текущаяконцентрация сажи в объеме цилиндра.Скорость изменения концентрации сажи в цилиндре на тактерасширения вычисляется в виде:(d [C ]6n dV) V  0,75[C ] .dV dТогда результирующая скорость изменения концентрации сажи в цилиндреопределяется в виде суммы:(d [C ]d [C ]d [C ]d [C ]1 d [C ])  B() K  B()П  ()B  ()V ,dddB ddгде B = A (nном/n)m – построчный множитель; n – частота вращенияколенчатого вала; nном – частота вращения коленчатого вала; A и m –эмпирические коэффициенты.Концентрация сажи в ОГ, приведенная к нормальным условиям,рассчитывается по формуле:[C] 480В1d [C ] d 0,1 k() ,d 6n p480где p480 – давление в цилиндре в момент 60 град.

п.к.в. до НМТ; k –показатель адиабаты ОГ (принят равным 1,33).Перевод полученного значения концентрации сажи C [г/м3] в единицышкалы Хартриджа осуществляется по уравнению:Hartridge  100[1 - 0,9545 exp (-2,4226 [C])] .148По аналогичным эмпирическим зависимостям концентрация сажи Cможет быть переведена в единицы шкалы Bosch, а также в единицыкоэффициента абсолютного светопоглощения K, m-1. Показатель эмиссиитвердых частиц (РМ или ТЧ) может быть вычислен по эмпирическойформуле А. Алкидаса (A. Alkidas) в зависимости от дымности выхлопа:[PM]  565 (ln10)1, 206 .10  BoschПредставленное описание программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК ипримеры расчета показателей дизелей различного назначения подтверждаютвозможность его использования для моделирования рабочего процессадизеля, оснащенного системами топливоподачи, реализующими различныезаконы подачи топлива.3.3.

Методика проведения расчетных исследований рабочего процессадизеля со штатной и опытной системами топливоподачиОбъектом расчетных исследований являлся тепловозный дизельныйдвигатель типа Д50 (6 ЧН 31,8/33) производства ОАО «Пензадизельмаш»(Пензенский дизельный завод), подробно описанный во второй главе.Исследуемый шестицилиндровый дизель размерностью D/S = 31,8/33представляет собой среднеоборотный тепловозный дизель мощностью околоNе= 880 кВт при номинальной частоте вращения n = 750 мин-1. Дизель собъемным смесеобразованием имеет степень сжатия ε=12,6 и неразделеннуюкамеру сгорания типа Гессельман (Рис. 3.4) диаметром dкс=256 мм иглубиной КС по периферии – 27 мм. Надпоршневой зазор принят равным 1мм. Дизель оснащен системой газотурбинного наддува, обеспечивающей наноминальном режиме давление наддувочного воздуха около 1,6 бар149(абсолютное) и его температуру не более 338 К.

В камере сгоранияобразуется вихревое движение воздуха с вихревым отношением, равным1,773 при нахождении поршня вблизи ВМТ. Распылитель многосопловойфорсунки системы топливоподачи дизеля типа Д50 выполнен с числомраспыливающих отверстий iр=9 диаметром dр=0,38 мм. При расчетныхисследованиях статический УОВТ не изменялся и был равен θ=24° поворотаколенчатого вала до ВМТ.Рис.

3.4. Камера сгорания типа Гессельман в поршне тепловозного дизелятипа Д-50Целью расчетных исследований являлась оценка влияния типа системытопливоподачи (оценка влияния формируемого закона подачи топлива) напоказатели рабочего процесса дизеля. Исследовано два типа системтопливоподачи.ПерваяисследуемаятопливоподачидизелятипаД50системас–ТНВД,штатнаясистеманагнетательнымитопливопроводами и многосопловыми форсунками.

Характеристики

Список файлов диссертации