Численное моделирование рабочего цикла быстроходного дизеля

УДК 621.43.016

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ЦИКЛА БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ

А.Н. Авраменко, науч. сотр., к. т.н., ИПМаш имени А.Н. Подгорного

НАН Украины, г. Харьков

Аннотация. Проведен расчетный анализ параметров рабочего цикла дизеля Д21А (2Ч 10,5/12) и оценка выбросов вредных веществ с отработавшими газами при работе дизеля по нагрузочным характеристикам.

Ключевые слова: рабочий цикл, быстроходный дизель, токсичность отработавших газов.

ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧОГО ЦИКЛУ ШВИДКОХІДНОГО ДИЗЕЛЯ

А.М. Авраменко, наук. співр., к.т.н., ІПМаш імені А.М. Підгорного

НАН України м. Харків

Анотація. Проведено розрахунковий аналіз параметрів робочого циклу дизеля Д21А (2Ч 10,5/12) та оцінку викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами при роботі дизеля по навантажувальних характеристиках.

Ключові слова: робочий цикл, швидкохідний дизель, токсичність відпрацьованих газів.

NUMERICAL MODELLING OF WORKING CYCLE OF HIGH-SPEED DIESEL ENGINE

A. Avramenko, researcher, Candidate of Technical Science,

IPMach after A. Podgornуі of NAS of Ukraine, Kharkiv

Abstract. The calculation analysis ofparameters of the running cycle ofД21А (2Ч 10,5/12) diesel engine and estimation of emissions of harmful substances with discharged gases at diesel engine operation according to load characteristics is carried out.

Key words: working cycle, high-speed diesel engine, toxicity of discharged gases.

Введение

Совершенствование энергоэкологических показателей ДВС связано со значительными временными и материальными затратами. Процесс доводки ДВС требует проведения комплексных расчетных и длительных экспериментальных исследований.

Использование методов математического моделирования позволяет существенно сократить материальные и временные затраты, связанные с доводкой рабочего цикла ДВС, и расширить возможности по анализу влияющих факторов на энергоэкологические показатели Двс.

Анализ публикаций

Ужесточение требований к токсичности отработавших газов (ОГ) ДВС и неизбежное истощение мировых запасов нефти стимулирует производителей ДВС к улучшению их экономических и экологических показателей. В существующих литературных источниках наглядно продемонстрированы возможности современных программных комплексов, используемых для моделирования рабочего цикла ДВС [1-5]. Для описания турбулентных течений свежего заряда в цилиндре ДВС, как правило, используются или

модели турбулентности [1-5]. Описание процессов смесеобразования в цилиндре

ДВС проводится с использованием Wawe или TAB моделей [4]. Процессы образования оксида азота (NO) описываются такими механизмами: термические NO, топливные NO, быстрые NO и механизм, описывающий деструкцию NO [4-5]. Для моделирования процесса образования сажи и сульфатов в цилиндре ДВС используется модель «Magnussen and Hjertager» [6].

Согласно данным работ [1-5] использование вышеуказанных моделей, реализованных в современных программных комплексах (AVL Fire, Ansys CFX, KIVA, Fluent и др.), позволяет добиться хорошего согласования расчетных и экспериментальных индикаторных диаграмм, а расхождения результатов численного моделирования образования токсичных компонентов ОГ с данными экспериментов не превышают 5-15 %.

Из проведенного литературного обзора видно, что совершенствование энергоэкологических показателей ДВС является актуальной задачей, а использование методов численного моделирования позволяет снизить затраты на процесс доводки рабочего цикла ДВС.

Цель и постановка задачи

Цель - расчетно-экспериментальная оценка экологических показателей быстроходного дизеля при работе по нагрузочным характеристикам.

В работе ставились такие задачи:

- провести литературный обзор по современным методам моделирования рабочего цикла и оценке экологических показателей ДВС;

- провести экспериментальные исследования по оценке экологических показателей быстроходного дизеля (оценка общих параметров, токсичности ОГ и индицирование);

- синтезировать расчетную область камеры сгорания (КС) с элементами впускного и выпускного каналов и клапанов;

- сформулировать краевые условия для численного моделирования рабочего цикла дизеля;

- провести расчет рабочего цикла дизеля на исследуемых режимах при работе дизеля по нагрузочным характеристикам;

- оценить концентрацию NO и массовый выброс сажи и сульфатов в ОГ дизеля;

- сравнить результаты расчетного моделирования с данными эксперимента;

- сделать выводы о характеристиках токсичности ОГ дизеля при работе по нагрузочным характеристикам.

Основные этапы и результаты исследования

Объект исследования - экологические показатели быстроходного дизеля Д21А (2 Ч 10,5/12) при работе дизеля по нагрузочным характеристикам. Краткая техническая характеристика дизеля представлена в табл. 1.

Таблица 1 Техническая характеристика дизеля

Двигатель Д21А

Отношение S/D, мм 120/105

Степень сжатия 16,5

Номинальная мощность, кВт 18,4

Тип КС - полусферическая в поршне

Давление начала впрыска, МПа 17

Количество сопловых отверстий 3

распылителя

Диаметр сопловых отверстий, мм 0,3

Угол опережения впрыска топлива 20

до ВМТ, град. п.к.в.

Продолжительность впрыска, град. 20

п.к.в.

Фазы газораспределения:

- открытие впускного клапана, град. п.к.в. до ВМТ 16

- закрытие впускного клапана, град. п.к.в. после НМТ 40

- открытие выпускного клапана, град. п.к.в. до НМТ 40

- закрытие выпускного клапана, град. п.к.в. после ВМТ 16

б

Рис. 1. Расчетная область (а) и сгенерированная сетка, описывающая конфигурацию КС дизеля Д21А

Расчетная область, представленная на рис. 1, содержит: впускной и выпускной каналы, впускной и выпускной клапаны, объем цилиндра и камеры сгорания. Для учета перетекания воздуха из надпоршневого пространства в камеру при движении поршня к ВМТ расчетная область имеет участок, описывающий кольцевой зазор между боковой поверхностью головки поршня и зеркалом цилиндра, что позволяет более корректно моделировать взаимодействие топливного факела с кольцевым вихрем (рис. 1, а) [5].

Для описания расчетной области используется гексаэдральная сетка. Расчетная сетка содержит 305150 расчетных ячеек (рис. 1, б). Вблизи подвижных границ минимальная высота промежуточного слоя равна 0,1 мм.

С целью уменьшения размерности решаемой задачи на участке от момента закрытия впускного клапана до открытия выпускного кла-

пана из расчетной области исключены впускной и выпускной каналы.

Далее было проведено численное моделирование рабочего цикла при работе дизеля по нагрузочным характеристикам на режимах с п = 1200, 1400, 1600 и 1800 мин1. Расчетные значения изменения давления в цилиндре дизеля, в зависимости от угла поворота коленчатого вала на исследуемых режимах, представлены на рис. 2.

На режиме номинальной мощности (при п = 1800 мин1) максимальное давление сгорания (Р2) достигает 7,84 МПа, а на режиме максимального крутящего момента (при п = 1600 мин1) Рг = 7,38 МПа (рис. 2).

Расчетные значения изменения температуры в цилиндре дизеля, усредненной по объему цилиндра, в зависимости от угла поворота коленчатого вала на исследуемых режимах, представлены на рис. 3.

340

350

360

А К" 4 \ у 1800 мин 1 1600 мин’1

№ »> Л Г . 1400 мин'1 — - 1200 мин '

А д/

/у /

^$5

370

380

390

400

410

420

430 а. град

Рис. 2. Изменение давления в цилиндре дизеля на исследуемых режимах

2000

1900

1800

1700

1600

1500

1400

1300

1200

1100

1000

900

800

700

600

/ ч* Ч. \

-ч. V. V.

// >Оч

а * V* ч>ЧЛ

и /# — \ *>*. V

ч І/І 1ХПП

и* ]! п/ - 1600 мнн'1

. 1400 мин*1 1 ЛЛЛ -1 \ \

и ШИ

*** *

350

360

370

380

430

а, град

Рис. 3. Изменение температуры в цилиндре дизеля на исследуемых режимах

Максимальная температура цикла (Т2) на режиме номинальной мощности достигает 1820 К (рис. 3).

Изменение эмиссии N0, усредненной по объему цилиндра за цикл в пересчете на двухцилиндровую модификацию дизеля Д21А, в зависимости от угла поворота коленчатого вала, на примере режима максимального крутящего момента представлено на рис. 4. Концентрация N0 в цилиндре дизеля на исследуемом режиме стабилизируется через 100 град. п.к.в. после ВМТ (рис. 4).

Расчетные значения эмиссии N0 достигают 1498 частей на миллион (чнм), а экспериментальные, на идентичном режиме, составили 1545 чнм.

Изменение массовой доли сажи и сульфатов, нерастворимых элементов твердых частиц (ТЧ), усредненной по объему цилиндра за цикл в пересчете на два цилиндра дизеля, в зависимости от угла поворота коленчатого вала, на примере режима максимального крутящего момента представлено на рис. 5. Массовая доля ТЧ в цилиндре дизеля на исследуемом режиме стабилизируется также через 100 град. п.к.в. после ВМТ (рис. 5).

N0, чнм 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 О

— - расчет Ш - эксперимент

340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500

а, град

Рис. 4. Изменение концентрации N0 в цилиндре дизеля

Рис. 5. Изменение массовой доли ТЧ в цилиндре дизеля

Пример распределения внутрицилиндровой температуры и концентрации N0 в цилиндре дизеля при положении коленчатого вала 10 град. п.к.в. после ВМТ представлен на рис. 6. Распределение концентрации N0 в

цилиндре дизеля носит локальный характер и согласуется с температурным полем.

Основные результаты проведенного комплексного расчетно-экспериментального исследования приведены в табл. 2.

т, к

со

и

а

-

5 000е»002 N0, чнм

2 500е»002

1

б

Рис. 6. Распределение температуры

а

Таблица 2 Основные результаты исследования

Режим Эксперимент Расчет

п р, Т 1 ог От N О Я СН Р, Т 1 е N0 Єтч

мин-1 МПа К кг/ч чнм чнм МПа К чнм кг/ч

1800 7,84 850 4,21 1630 19 7,8 1114 1594 1110-3

1600 7,38 882 4,38 1545 16 7,4 1145 1498 12,7-10-3

1400 7,07 860 3,95 1643 30 7 1110 1700 12,110-3

1200 6,7 844 3,64 1510 41 6,6 1090 1487 13,7-10-3

Выводы

Таким образом, можно отметить следующее:

- при работе дизеля Д21А по нагрузочным характеристикам, согласно данным проведенного эксперимента, максимальное давление цикла увеличивается с ростом частоты вращения коленчатого вала ДВС с 6,7 до 7,84 МПа, в диапазоне частот вращения от 1200 до 1800 мин-1;

- установлено, что концентрация оксида азота в цилиндре дизеля стабилизируется и дос-

тигает предельного значения через 100 град. п.к.в. после ВМТ;

- выброс сажи и сульфатов в цилиндре дизеля достигает своего максимального значения через 12 град. п.к.в. после ВМТ, а далее снижается почти вдвое и стабилизируется через 100 град. п.к.в. после ВМТ;

- результаты численного моделирования хорошо согласуются с данными эксперимента, что свидетельствует о достаточно корректном моделировании рабочих процессов дизе-

ля при его работе по нагрузочным характеристикам;

- наличие информации о распределении исследуемых параметров (температуры, концентрации и др.) в зависимости от угла поворота коленчатого вала позволяет в дальнейшем проводить оптимизацию процессов смесеобразования и сгорания и, соответственно, совершенствовать показатели рабочего цикла ДВС.

Литература

1. L. CFD Studies of Combustion and In-

Cylinder Soot Trends in a DI Diesel Engine/ Dahlen L., Larsson A. - Comparison to Direct Photography Studies // SAE 2000-01-1889, 2000.

2. Ranjbar A.A. Computational study of the

effect of different injection angle on heavy duty diesel engine / A.A. Ranjbar, K. Sedighi, M. Farhadi, M. Pourfallah // THERMAL SCIENCE. - 2009. - Vol. 13, № 3.-P. 9-21.

3. Jafaramadr S. Modeling the Effect of Spray /

Wall impingement on combustion process

and emission of di diesel engine / S. Jafaramadr, S. Khalilarya, S. Shafee, R. Barzegar // THERMAL SCIENCE. -2009. - Vol. 13, № 3. - P. 23-34.

4. Авраменко А.Н. Оценка экономических,

экологических и прочностных показателей быстроходного дизеля / А.Н. Авраменко / Вестник НТУ «ХПИ» : сб. научн. тр. -Харьков. - 2009. - № 47. - С. 127-132.

5. Абрамчук Ф.И. Программный комплекс

для моделирования внутрицилиндровых процессов ДВС / Ф.И. Абрамчук, А.Н. Авраменко // Двигатели внутреннего сгорания. - 2010. - № 2. - С. 7-12.

6. On Mathematical Modeling of Turbulent

Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion / B.F. Magnussen, B.H. Hjertager // Sixteenth Symp (Int.) on Combustion. The Combustion Institute, 1976. - 719 р.

Рецензент: Ф. И. Абрамчук, профессор, д. т. н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 28 октября 2010 г.