Имитационное моделирование процессов в ДВС

№1

2007

621.43.656

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ДВС

Канд. техн. наук, доц. Р.Д. ЕНИКЕЕВ

Представлена технология имитационного моделирования работы двигателя, включая внутрицилиндровые процессы, газообмен, механические потери и газодинамический шум. Описана конфигурация спроектированной системы выпуска, позволившая снизить уровень шума выхлопа двигателя при улучшении его эффективных показателей.

The article deals with the technology of engine operation simulation, including intracylin-der processes, gas exchange, mechanical losses and gas dynamic noise simulation. This paper describes the configuration of a designed exhaust system, that allowed the engine exhaust noise level to lowered and its power and fuel consumption parameters to be improved.

Математическому моделированию процессов и разработке систем моделирования двигателя всегда уделялось большое внимание [1,2]. Результаты настоящего исследования демонстрируют возможности численного моделирования ДВС на примере проектирования выпускной системы четырехтактного двигателя по шумовой характеристике выпуска и внешней скоростной характеристике. Целью исследования было определение вычислительным экспериментом конфигурации системы выпуска четырехтактного четырехцилиндрового двигателя и глушителя легкового автомобиля, снижающих уровень шума выхлопа до перспективных требований при улучшении эффективных показателей двигателя, а также экспериментальное подтверждение результатов моделирования.

Моделирование параметров двигателя

Моделирование осуществлялось с помощью системы имитационного моделирования «АЛЬБЕЯ», разработанной на кафедре ДВС Уфимского государственного авиационного технического университета.

Система «АЛЬБЕЯ» предназначена для автоматизированного имитационного моделирования процессов, протекающих в комбинированных двигателях внутреннего сгорания. В состав системы входит ядро, предназначенное для манипулирования программными модулями и обеспечивающее интерфейс с пользователем. Базовые модели системы учитывают волновой характер газодинамических процессов и теплообмен [3]. Настройка системы на конкретную предметную область производится регистрацией в ее библиотеке базового типового набора элементарных моделей (шаблонов) различных объектов этой предметной области в виде программных процессов. Из этих элементов пользователь может строить более сложные модели уже с помощью интерактивных средств самой системы. Разработав программные модели отдельных узлов, например, двигателя, пользователь может прямо на экране дисплея скомпоновать из них модель двигателя в целом или какой-либо из его подсистем. Модель включает следующие модули-элементы: «цилиндр», «поршень», «кривошипно-ша-тунный механизм», «труба», «ресивер», «атмосфера», «потребитель» и модули-связи — «окно», «клапан», «механическая связь». Прикладные газодинамические модули базируются на уравнениях Эйлера для гладких течений. В частности, модуль «труба» рассчитывает неустановившееся течение газа по трубопроводу переменного сечения с трением и теплообменом, модуль «ресивер» рассчитывает состояние газа в замкнутом

№1

2007

объеме с учетом теплообмена, модуль «клапан» рассчитывает течение газа в местных сопротивлениях (скачок сечения, диафрагма, тарельчатый клапан), модуль «окно»

— истечение газа из отверстий, модуль «атмосфера» служит для хранения параметров окружающей среды. Учет потерь в местных сопротивлениях может проводиться по известным коэффициентам потерь или по характеристикам, полученным расчетом течения в трехмерной постановке конкретной конфигурации местного сопротивления. Модель процессов в рабочей камере, реализованная в модуле «цилиндр», рассчитывает внутрицилиндровые процессы ДВС, включая сгорание по модели Вибе и теплообмен при переменном объеме, и учитывает изменение показателя адиабаты в зависимости от температуры и диссоциацию газов. Механические модули «кривошипно-шатунный механизм» и «поршень» рассчитывают кинематику и динамику двигателя с учетом сил трения в подшипниках и трущихся парах. Модуль «потребитель» моделирует нагрузку двигателя. Модуль «механическая связь» рассчитывает мощностной баланс между механическими модулями.

Развитая система меню облегчает управление моделирующей системой и обеспечивает удобную навигацию по модели. Процесс моделирования в системе «АЛЬБЕЯ» возможен в режиме непрерывной имитации или пошагового расчета модели в целом. Перед началом моделирования, а также в произвольный момент расчета пользователь имеет возможность запросить на экран значения любых переменных любой модели и, если необходимо, изменить ее текущее значение и продолжить моделирование. Система «АЛЬБЕЯ» имеет несколько информационных экранов, переключаемых по командам пользователя. На этих экранах представляется информация (в графической и табличной форме) о значениях произвольных переменных модели. Системы графиков могут быть двух типов: с абсциссой, в качестве которой может выступать любая переменная модели (время, угол поворота вала двигателя); с «пространственной» координатой по оси абсцисс (т.е. вдоль некоторой траектории, выбранной на схеме в окне сборки).

Система предусматривает возможность, в случае необходимости, расширить моделирующую систему, т.е. добавить к уже имеющемуся в ее распоряжении множеству элементарных прикладных моделей новый базовый элемент.

Для того чтобы начать моделирование двигателя, необходимо построить проект задачи. Для этого пользователь должен выполнить следующие основные действия:

разместить на поле сборки те модули, из которых будет составлена структурная схема модели двигателя (например, цилиндр, впускной трубопровод, выпускной трубопровод, глушитель);

соединить связями порты последовательно взаимодействующих модулей (например, для одноцилиндрового четырехтактного двигателя последовательность связей выглядит следующим образом: атмосфера—впускной трубопровод— впускной клапан — цилиндр

— выпускной клапан — выпускной трубопровод — камера глушителя — выпускной патрубок глушителя — атмосфера);

задать начальные значения параметров, находящихся в портах модулей и во внутренних портах связей (например, размеры цилиндров, трубопроводов, температуру, давление

среды и стенок);

ввести переменные, которые пользователь намерен наблюдать во время моделирования (например, давление в цилиндре, скорость газа на выходе из глушителя).

Более чем двадцатилетний опыт эксплуатации системы «АЛЬБЕЯ» подтвердил достоверность моделирования работы двигателя как на установившихся, так и на неустановившихся режимах работы.

№1

2007

Моделирование газодинамического шума

»

Акустическая эффективность впускной и выпускной систем двигателя на стадии его проектирования может определяться с помощью различных методов: расчетом снижения шума на определенных частотах на основе предварительно полученных экспериментальных данных [4,5]; расчетом колебаний давления в элементах выпускной системы при моделировании нестационарного течения газа в одномерной постановке [1,6,7]= расчетом объемного расхода газа из выпускного патрубка [8]. Нами шум определялся на заданном расстоянии от выпускного патрубка путем расчета нестационарного течения газа в окрестности среза трубопровода численным интегрированием уравнений газовой динамики. Для моделирования процесса течения в окрестности среза трубопровода вводится двумерная сетка (рис. 1).

Трубопровод

щ/тща

Расчетная область

Микрофон

Ах

к

<1

Рис. 1. Расчетная сетка течения газа в окрестности выпускного или впускного трубопровода

Течение рассчитывается по уравнениям сохранения газовой динамики в осесиммет ричной постановке

д(гр) | д(гри) | 5(гру) =

д!

дх

дг

д(гри) д(гри2+гр) д(груи) --1---1--

дх

дг

д(гру) + д(гриу) 3(гру2

5/

дх

дг

О

Р

д(грЕ) д(гирЕ + гир) д(п>рЕ + гур) --1---1--

дI

дх

дг

О

где р — плотность; р — давление; Е — энергия; и и V — составляющие скорости по координатам ХИЛ

По пространству система дискретизируется для прямоугольных ячеек Дх, Аг с помощью консервативно-монотонной схемы типа Годунова повышенного порядка аппроксимации, в которой решение в ячейке реконструируется с применением кусочно-параболических распределений параметров в ячейке в обоих координатных направлениях.

N9 1

2007

В процессе расчета определяется зависимость изменения давления от времени в заданной точке пространства (положение микрофона). По кривой изменения избыточного давления проводится расчет уровня звука.

Для постоянного шума, в случае работы двигателя на установившемся режиме, уровень шума рассчитывается по формуле

где р() — 2-10'5 Па — значение опорного звукового давления; п — количество значений давления в массиве.

Для неустановившегося шума, что имеет место на переходных режимах работы двигателя, расчет проводится по временному приведению «быстро» с постоянными времени нарастания и спада, равными 125 мс, в соответствии с рекомендацией МЭК. Для расчета уровней звука по частотной характеристике «А» проводится разложение функции изменения звукового давления от времени в ряд Фурье, затем все составляющие спектра суммируются с учетом стандартных поправок.

Эффективность системы «АЛЬБЕЯ» и методики расчета уровня звука выпуска демонстрируется расчетом четырехцилиндрового четырехтактного двигателя легкового автомобиля в двух комплектациях выпускной системы с глушителем: серийной и опытной.

Для опытной выпускной системы в качестве базовой принята концепция настроенной системы выпуска с камерным глушителем. В систему входит выпускной коллектор, состоящий из четырех, отдельных для каждого цилиндра патрубков, имеющих одинаковые длины и диаметры. Размеры патрубков определены численным экспериментом по критерию обеспечения минимального количества остаточных газов в цилиндрах при минимальной амплитуде колебаний давления на выходе из ресивера. Также численным экспериментом определен объем ресивера, минимально необходимый для того, чтобы работа одного цилиндра не влияла на работу других, а амплитуда колебаний давления в ресивере была минимальной. Отработавшие газы покидают ресивер через два или несколько трубопроводов разной длины, задача которых — обеспечить равномерное поступление отработавших газов в глушитель при частоте вращения коленчатого вала двигателя, соответствующей условиям испытаний на шумность. Глушитель выпуска представляет собой многокамерный ресивер, камеры которого соединяются между собой патрубками с плавными входами.

Расчеты проведены для двух комплектаций двигателя: с описанной выше опытной системой и с серийной системой выпуска. Расчетные внешние скоростные характеристики приведены на рис. 2.

Расчетное снижение уровня шума выхлопа двигателя с опытной системой выпуска по сравнению с серийной при работе по внешней скоростной характеристике представлено на рис. 3. Как видно из графиков, мощностные и экономические показатели двигателя с опытной системой выпуска лучше на 5—8 %, а шум выхлопа на тестируемых частотах вращения ниже на 8—10 дБА.

Таким образом, принятая концепция двигателя с настроенным выпускным трактом, в сочетании с уменьшением пульсаций давления в ресивере и глушителе решает задачу снижения уровня газодинамического шума двигателя до уровня перспективных требований при улучшении эффективных показателей.

Результаты моделирования двигателя

№ 1 2007

г

Я

160

140 -

120

100 "

80

1000

1800

2600

3400

4200

5000

5800

к

Серийная система выпуска

Опытная система выпуска п, мин-1

I.___________

а-ь

Я

и

(М>

360

340

320

300

280 "

260

т

т

т

1 ООО

1800

2600

3400

4200

Серийная система выпуска)

.«г «. ..,,, . ( -

Опытная система выпуска п, мин-1

Рис. 2. Расчетные внешние скоростные характеристики

ВС 2

к

£

£ &

О

15 £

г» *

Я X

и

14 -Н 12 " 10 -8 ' 6 " 4 -

0 "

л

1000

Расчет Эксперимент

т

1800

2600

3400

п, мин-1

Рис. 3. Снижение уровня шума выхлопа двигателя с опытной системой

выпуска в сравнении с серийной системой выпуска

По результатам расчета разработан и изготовлен опытный образец настроенной системы выпуска. На рис. 4, а представлена опытная система выпуска в сборе, на рис. 4. о - настроенные патрубки, размещенные внутри ресивера опытной системы.

Ml

2007

zw-

а)

******

Лк

б)

Рис. 4. Опытная система выпуска

Результаты испытаний подтвердили расчетные показатели опытной системы: наибольшее расхождение между расчетными и экспериментальными данными по внешней скоростной характеристике составило 10 % (рис, 5), а по уровню газодинамического шума

— 5 дБА (рис, 3).

* 160 1 и

3

140 -

120

100 -

80

А

Серийная система выпуска. Расчет Опытная система выпуска, Расчет Серийная система выпуска. Эксперимент Опытная система выпуска. Эксперимент

i 1

I •

I i

1000

1800

т

2600

t

3400

4200

5000 л,мин-1

Рис. 5. Расчетные и экспериментальные внешние скоростные характеристики

Выводы

1. Система имитационного моделирования «АЛЬБЕЯ» и методика расчета газодинамического шума позволяют с высокой степенью достоверности предсказывать параметры двигателя и уровень газодинамического шума.

2. Разработанная схема выпускной системы двигателя позволяет снизить шум выхлопа на 8 — 10 дБА по сравнению с серийной и одновременно улучшить эффективные показатели двигателя на 5 —8 %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Thomas Morel,John Silvestri, Karl — Alfred Goerg and Rolf Jebasinski, Modeling of Engine Exhaust Acoustics, SAE Paper 1999-01-1665, 1999.

2. Gordon P. Blair, «Design and Simulation of Engines: A Century of Progress», SAE Paper 1999-01-3346, 1999,

3. Рудой Б. П. Прикладная нестационарная гидрогазодинамика: Учебное пособие. — Уфа: Уфимский авиационный институт, 1988,— 184 с.

№ 1 20(Р

4. J o n W. P a r s o n s. «Reduction of Exhaust and Air Induction System Noise by a Predictive Method», SAE Paper 931338, 1993.

5. Patricia Hetherington and William Hill, "An Analytical/Empirical Approach to Sound Quality Evaluation for Exhaust

Systems", SAE Paper 971872, 1997.

6. C. S. W r e n, 0. J o h n s o n. «Gas Dynamics Simulation for the Design of Intake and Exhaust Systems — Latest

Techniques», SAE Paper 951367, 1995.

7. K r i s t o f o r R. Norman, James M. Novah and Ahmet Selamet, «Design of an Integral Perforated Manifold. Muffler, and Catalyst», SAE Paper 2001-01-0222, 2001.

8. M. M. Ghafourl, G, Ricci, "A Numerical Method for the Prediction of Exhaust Noise in Internal Combustion Engine

Exhaust Systems", SAE Paper 931348, 1993.

621.18—182.2.001.8

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРИКОТЛОВОГО ПРОЦЕССА ПРИ СРАБАТЫВАНИИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО КЛАПАНА

Д-р техн. наук, проф. Ю.Х. ПОЛАИДОВ, канд. техн. наук, доц. С. А. ВЛАС Ell К

Исследован im показали, что повышение уровня воды в барабане теплотехнический установки приводит к увеличению массы жидкой фазы в составе пароводяной смеси, выбрасываемой через предохранительный клапан при его срабатывании, чти ведет к росту опасности от воздействия горячей жидкости и пара.

Researches have shown, that increase of a water level in a steam boiler leads to increase in weight of a liquid phase in the steam-water mixture which is thrown out through a safety valve at its operation that leads to growth of thermal danger from influence of a hot liquid and sterm

Проблема измерения истинного уровня кипящей воды в непрозрачных сосудах достаточно сложна. Это связано с различием уровней жидкости: реального — представляющего собой верхнюю границу между пароводяной смесью и паром, и условного — того, который имел бы место в случае нулевого паросодержания пароводяной смеси*. 11ри л ом измерение уровня особенно актуально при исследовании внутрикотловых процессов, происходящих в паровых котлах малого давления (рабочее давление до 0,07 МПа избыточных) при срабатывании предохранительных клапанов, поскольку часть кипящей жидкости из пароводяного пространства в некоторых условиях выбрасывается в окружающую среду через проходное сечение клапана. А это, во-первых, порождает термическую опасность, а во-вторых, приводит к потерям энергии, затрачиваемой на нагрев воды и излишним тратам на ресурсы (вода, топливо и т.д.).

В этой связи была поставлена задача исследования зависимости количества воды, выбрасываемой через предохранительный клапан при его срабатывании, от исходного уровня воды в барабане.

Экспериментальные исследования проводились на паровом котле марки ВКВ 300Л

(ОАО «Возовсельмаш») паропроизводительностыо 370 кг пара в час и установленном на

нем рычажно-грузовом предохранительном клапане марки КПС-0,7 (пропускная способность — 850 кг пара в час).

В ходе экспериментов температура ( воды в барабане котла в разных точках по его высоте, давление пара р в барабане котла и под кожухом предохранительного клапана.

*С т ы р и к о в и ч М. А., Р е з н и к о в М. И. Методы экспериментального изучения процессов генерации пара. Учеб. пособие для теплоэнергетических специальностей вузов. — М,: Энергия, 1977. — 279 с.