Выбор способа управления рабочим процессом в двигателях с самовоспламенением гомогенной топливовоздушной смеси (1025104), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Рассмотрены возможности известных математических моделей HCCI-процесса, в том числе предложенных С. В. Гусаковым,В. Г. Камалтдиновым, а также иностранными исследователями: P. Najt'ом иD. Foster'ом, J. Smith'ом, Y. Wong'ом и G. Karim'ом, H. Soyhan'ом иJ. Andrae'ом, E. Dec'ом, S. Aceves'ом, M. Kraft'ом и др. Сделан вывод о том,что однозонные нульмерные модели, в которых используется детальный расчет кинетики и тепловых эффектов реакций окисления топлива, позволяют вомногих случаях удовлетворительно прогнозировать момент самовоспламенения, однако дают искаженную картину протекания основной фазы сгорания.Отмечен оригинальный способ повышения точности моделирования основной фазы сгорания, предложенный В.
Г. Камалтдиновым. Многомерные модели HCCI-процесса позволяют, как правило, приблизить результаты расчетов к экспериментальным данным, однако в этих моделях принятое разделе5ние на зоны не всегда обосновано, кроме того, используются параметры, значение которых не может быть принято априори.На основе анализа состояния вопроса определены цель и задачи исследования.Во второй главе рассмотрена разработанная в качестве основы длямоделирования HCCI-процесса однозонная нульмерная модель изменениясостояния рабочего тела в цилиндре двигателя с расчетом динамики выделения теплоты по тепловым эффектам химических реакций воспламенения игорения.Основу модели составляют уравнения сохранения энергии и состоянияидеального газа:dQ30dVdT+ a S (Tст - T )F =p+ cv m,(1)djpndjdjpV = mRT ,(2)где p , V , T – соответственно давление, объем и температура в камере сгорания, j – угол поворота коленчатого вала двигателя, n – частота вращенияколенчатого вала двигателя, m , R – соответственно масса и характеристическая газовая постоянная топливовоздушной смеси в камере сгорания, c v –изохорная массовая теплоемкость смеси, Q – теплота, выделяющаяся присгорании топливовоздушной смеси, a S – суммарный коэффициент теплоотдачи от рабочего тела в стенки, Tст – средняя температура стенок камерысгорания, F – площадь поверхности камеры сгорания.Приведенная система уравнений дополнена соотношениями, позволяющими определять состояние заряда в цилиндре к моменту начала сжатия,теплоту сгорания рабочей смеси, суммарный коэффициент теплоотдачи a S иплощадь поверхности теплообмена.Система уравнений (1)…(2) решается численно методом Рунге-Кутта срасчетным шагом Dj по углу поворота коленчатого вала.Для определения скорости выделения теплоты выполнялся расчет кинетики химических реакций горения и их тепловых эффектов.
Скорость изменения концентрации любого из веществ, участвующих в реакциях, находится алгебраическим суммированием скоростей изменения этой концентрации в каждой из реакций, в которых принимает участие это вещество:dy i N r= å Wij ,(3)dtj =1где y i – текущая мольная концентрация i -го вещества (реагента), Wij – скорость j -ой реакции по i -му реагенту, N r – число химических реакций в кинетической схеме.
Фактически суммирование ведется не по всем реакциям, атолько по тем, в которых участвует i -ый реагент.Скорость образования или расходования i -го реагента в j -ой реакциивычисляется по закону действующих масс:6nрWij = ± k j Õ y i ,(4)i =1где k j – константа скорости j -ой реакции, n р – порядок j -ой реакции.Константа скорости реакции определяется в соответствии с закономАррениуса:æ E aj ön÷,k j = A j T j expç (5)ç RmT ÷èøгде A j , n j , E aj – соответственно предэкспоненциальный множитель, показатель степени и энергия активации для j -ой реакции.Теплота Q , выделившаяся на каждом расчетном шаге, находится алгебраическим суммированием тепловых эффектов всех реакций на этом шаге.
Тепловые эффекты, в свою очередь, представляют собой разности энтальпий исходных реагентов и продуктов реакции. Таким образом:N s2N r æ N s1öçQ = å å Dy ji1 DH i1 - å Dy ji2 DH i2 ÷ ,(6)ç÷j =1è i1 =1i2 =1øгде j – порядковый номер реакции, i1 – порядковый номер исходного вещества j -ой реакции, N s1 – число исходных веществ j -ой реакции, i2 – порядковый номер продукта j -ой реакции, N s2 – число продуктов j -ой реакции,DH i1 – энтальпия образования исходного вещества (реагента) i1 , DH i2 – эн-тальпия образования продукта i2 . Для определения энтальпий образованияреагентов были использованы полиномы пятой степени от температуры.Для определения теплоотдачи в стенки цилиндра и камеры сгоранияиспользована модифицированная формула Вошни.
В результате исследований, в том числе выполненных в ходе данной работы, установлено, что прииспользовании формулы Вошни применительно к двигателям с HCCIпроцессом должно быть ослаблено влияние на теплоотдачу температуры газов в цилиндре, а также влияние процесса горения на среднюю скорость течения рабочего тела. Модифицированная формула Вошни имеет видp 0,8 w 0,8a S = 110 0,73 0,2 ,(7)TDгде a S – суммарный коэффициент теплоотдачи в стенки цилиндра, p , T –соответственно средние по объему мгновенные значения давления и температуры в камере сгорания, D – диаметр цилиндра, w – средняя скорость рабочего тела, которая при сжатии определяется по формуле:S nw = 2,28 п ,(8)30а при сгорании-расширении по формуле:7Sп nVT+ 0,54 × 103 × s 1 ( p - p0 ),(9)30p1V1где Sп – ход поршня, n – обороты коленчатого вала, p1 , T1 , V1 – соответственно давление, температура и объем смеси в начале сжатия, Vs – рабочийобъем цилиндра, p0 – текущее давление в цилиндре при проворачивании вала.В связи с тем, что для некоторых топлив известно по нескольку кинетических схем химических реакций горения, была предложена методика выбора схемы, наиболее подходящей для описания процесса горения в HCCIдвигателях.
В качестве критерия выбора кинетической схемы была принятастепень соответствия значений задержки самовоспламенения, полученных, содной стороны, расчетом для условий адиабатной камеры сгорания постоянного объема и, с другой стороны, путем опытов в аналогичных условиях.Наилучшей считалась схема, которая с наибольшей точностью воспроизводила наблюдаемую в эксперименте зависимость задержки самовоспламенения от начальной температуры топливовоздушной смеси.w = 2,280,40,50,60,70,80,91,01,11,21,31,E+001,E-0141,E-02ti , с631,E-0311,E-04251,E-051,E-061000/T н, 1/KРисунок 1 – Сравнение результатов моделированиядлительности фазы предпламенных реакцийс экспериментальными данными(топливо – метан)На рисунке 1 в качестве примера показаны зависимости задержки самовоспламенения от начальной температуры метановоздушной смеси, построенные на основе экспериментальных данных (линии 1-4) и на основе результатов расчетов с использованием схемы В. Я.
Басевича (линия 5) и схемыJ. Hewson'а (линия 6). Как экспериментальные данные, так и результаты расчетов получены для стехиометрической смеси ( a =1,0) при начальном давлении pн =15 бар. Видно, что, в отличие от схемы J. Hewson'а, схема В. Я. Басевича хорошо соответствует экспериментальным данным как качественно,так и количественно в широком диапазоне изменений температуры и составасмеси, и ее можно использовать для исследования динамики тепловыделения8в двигателях с рабочим процессом HCCI. Аналогичным образом были выбраны кинетические схемы горения диметилового эфира и метанола.Для моделирования образования оксидов азота была использована дополнительная кинетическая схема окисления азота, предложенная Б. Я. Зельдовичем.
Эта схема дополняла основную кинетическую схему горения топлива, не оказывая существенного влияния на точность расчета кинетики сгорания топливовоздушной смеси.p , МПа911827362534321j, °пкв0-30-20-100102030¾¾ – экспериментальные индикаторные диаграммы- - - - – расчетные индикаторные диаграммы1 – a=2,43, 2 – a=2,61, 3 – a=2,87Рисунок 2 – Сопоставление экспериментальных и расчетныхиндикаторных диаграмм двигателя Volvo TD 100Для проверки воспроизводимости моделью индикаторного процессабыли использованы индикаторные диаграммы, полученные при индицировании двигателей с рабочим процессом HCCI. Были использованы экспериментальные данные для двухтактных двигателей, работавших на топливовоздушных смесях, близких по составу к стехиометрическим, и для четырехтактных двигателей, работавших на обедненных топливовоздушных смесях.Отмечено, что модель хорошо предсказывает момент самовоспламенения всмесях стехиометрического состава, однако дает существенную погрешностьв определении такого момента в обедненных смесях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
