Оптимизация геометрических параметров камеры сгорания в поршне дизеля | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 7 декабря, печатный экземпляр отправим 11 декабря.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №25 (159) июнь 2017 г.

Дата публикации: 26.06.2017

Статья просмотрена: 261 раз

Библиографическое описание:

Беляков А. С. Оптимизация геометрических параметров камеры сгорания в поршне дизеля // Молодой ученый. — 2017. — №25. — С. 62-66. — URL https://moluch.ru/archive/159/44900/ (дата обращения: 23.11.2019).



Основное направление совершенствования двигателей связано с уменьшением концентрации вредных веществ в отработанных газах при обеспечении требуемой мощности двигателя, а также улучшения топливной экономичности. В связи с множеством различных факторов, влияющих на количество оксидов азота и твердых частиц в отработанных газах, возникает конфликт целей, невозможно одновременное снижение количества выбросов одного и второго компонентов. Проблема состоит в том, что снижение одного из вредных выбросов приводит к увеличению второго. Поэтому оптимизация параметров ДВС является предпочтительным путем достижения целей по совершенствованию двигателей, т. к. требует минимальных изменений в конструкции всех систем.

Цель ипостановка задачи.

Целью данной работы является оптимизация геометрии камеры сгорания дизеля для снижения расхода топлива при обеспечении требуемой мощности, а также выбросов вредных веществ. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

  1. Определены оптимизируемые параметры и диапазон их изменения.
  2. Выбраны функциональные ограничения и критерии качества.
  3. Предложен метод оптимизации и проведен поиск оптимального решения.
  4. Проведен анализ результатов оптимизации.

Объектом исследования являются процессы смесеобразования, сгорания и образования вредных веществ в высокооборотном дизеле для грузового автомобиля 8ЧН 12/13.

Методика проведения оптимизации.

Задачу оптимизации формы камеры сгорания дизеля можно свести к поиску минимума целевой функции, описывающей зависимость показателей эффективности работы двигателя от геометрии камеры в поршне, а также параметров распылителя форсунки и топливоподачи. При этом в качестве ограничений выступают параметры, характеризующие работоспособность деталей двигателя.

Данная задача существенно осложняется большим разнообразием возможных форм камер и их варьируемых параметров. Исходная форма камеры сгорания (КС) в поршне выбирается на основании существующей конструкции либо исходя из достижения требуемых целей: повышения уровня турбулентности в КС, обеспечения направленного движения свежего заряда в объеме камеры.

Кроме того, геометрия камеры сгорания должна быть согласована с подачей топлива (количеством распыляющих отверстий, направлением струй топлива, давлением впрыскивания) и вихревым движением свежего заряда в цилиндре двигателя на момент закрытия впускных клапанов.

На этапе предварительного согласования формы КС в поршне дизеля с параметрами топливоподачи целесообразно использовать двухмерный подход, реализованный в программном комплексе Дизель-РК, разработанном на кафедре поршневых двигателей (Э2) МГТУ им. Н. Э. Баумана [2].

Процедура оптимизации формы камеры в поршне подразумевает выбор начальной точки расчета (базовый расчет), от которой в дальнейшем по одному из алгоритмов осуществляется поиск оптимального решения. Геометрические параметры КС в поршне исследуемого дизеля, полученные при расчете в Дизель-РК, используются в качестве первого приближения при расчете процессов смесеобразования, сгорания и расширения на модели сектора КС в программном комплексе FIRE ESE Diesel.

После получения предварительного решения определяются варьируемые параметры и пределы их изменения, составляется план численного эксперимента. После этого проводится серия расчетов и выбирается точка с наилучшими результатами, вблизи нее уточняются границы варьируемых параметров, и проводится заключительная серия расчетов, на основании которых определяется оптимальная геометрия камеры сгорания.

Выбор оптимизируемых параметров КС.

В FIRE ESE Diesel проводится расчет сектора камеры сгорания, что обуславливает некоторые ограничения программы: КС должна быть осесимметричной; моделируется только сжатие и рабочий ход двигателя, впуск и выпуск учесть невозможно [1].

Тем не менее, представление камеры сгорания в виде параметрической модели позволяет легко модифицировать исходную форму камеры в процессе оптимизации, что делает FIRE ESE Diesel незаменимым инструментом при доводке формы камеры в поршне.

На рис. 1 представлен эскиз исследуемой формы камеры сгорания.

C:\Users\Home\Desktop\Эскиз.jpg

Рис. 1. Границы изменения профиля КС

Для согласования формы КС и топливных струй при формировании исходных данных вводится значение угла α.

Исходные параметры геометрии представлены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры исходной модели камеры

Параметр

Размерность

Величина

TDC

мм

1,5

Tm

мм

11

T

мм

22,9

Di

мм

64

Db

мм

68

R1

мм

9

R2

мм

4

R3

мм

0,5

α

град

72,5

В качестве варьируемых параметров геометрии КС выбираем диаметр Di и высоту вытеснителя Tm и определим границы их изменения: 53≤Di≤65 (мм); 8,8≤ Tm≤13,2 (мм). Выбор допустимых пределов варьирования проведен с учетом ограничений, связанных с компоновкой КС. План численного эксперимента составляется методом латинского гиперкуба. Суть данного метода заключается в равномерном разбиении расчетной области на n точек с учетом ограничений, которые задаются для варьируемых параметров. Преимущество этого метода заключается в том, что можно задать множество комбинаций для каждого параметра и количество используемых расчетных точек.

Определение функциональных ограничений.

В связи с отсутствием экспериментальных данных, исходные данные были получены из расчета рабочего процесса выполненного в Дизель-РК. Параметры двигателя и системы подачи топлива приведены в табл. 2. Расчеты произведены для режима номинальной мощности при 1900 мин-1.

Таблица 2

Параметры двигателя

Мощность, кВт

300

Степень сжатия

17,9

Число сопловых отверстий форсунки

6

Диаметр соплового отверстия, мм

0,19

Угол опережения впрыскивания, °ПКВ

6

Продолжительность топливоподачи, °ПКВ

29

Цикловая подача, г

0,139

В дополнение к определению параметрических ограничений при формировании исходных данных для решения задачи поиска оптимальных параметров КС необходимо включить функциональные ограничения:

− степень сжатия постоянна для всех вариантов КС;

− максимальное давление цикла Pz≤18 МПа.

Формулировка функции цели.

В качестве функции цели выбраны уменьшение расхода топлива и снижение количества вредных веществ в отработанных газах. Оптимизацию выполняли методом Нелдера-Мида — это симплекс-метод для нахождения локального минимума целевой функции. Так как в задаче оптимизации заданы две функции, то симплекс является треугольником, а метод представляет собой поиск по шаблону, который сравнивает значения функций в трех вершинах треугольника. Наибольшее значение функции, отклоняется и заменяется новой. Таким образом, значения функций в вершинах уменьшаются и определяются координаты точки минимума целевой функции.

Результаты оптимизации.

Анализ расчетных точек показал, что изменением формы КС в поршне можно добиться снижения концентрация оксидов азота, а также улучшить топливную экономичность. Результаты расчетов для базового, лучшего и худшего вариантов представлены на рис. 2, 3. Трехмерное представление результатов дано на рис. 4, 5.

C:\Users\Home\Desktop\Индикаторная.jpg

Рис. 2. Индикаторные диаграммы для различных вариантов КС

C:\Users\Home\Desktop\NOx.jpg

Рис. 3. Зависимости массовых долей оксидов азота в КС различной формы

Рис. 4. Температуры в сечении камеры сгорания дизеля для угла 730° поворота коленчатого вала: а) базовый вариант, б) лучший вариант (№ 6), в) худший вариант (№ 4)

Рис. 5. Локальное распределение NOx в сечении камеры сгорания дизеля для угла 780° поворота коленчатого вала: а) базовый вариант, б) лучший вариант (№ 6), в) худший вариант (№ 4)

Несмотря на то, что индикаторные диаграммы для базового, лучшего (№ 6) и худшего (№ 4) вариантов камеры сгорания практически идентичны, различие в локальных полях температуры рабочего тела приводит к разным значениям выбросов оксидов азота (рис. 3, 5). При этом, хотя по оксидам азота ожидаемо наилучшие результаты показывает базовый расчет, вариант № 6 характеризуется наибольшей мощностью и минимальным расходом топлива.

Вывод.

Результаты расчета показывают, что изменением формы камеры сгорания в поршне возможно добиться уменьшения расхода топлива при сохранении эффективной мощности двигателя.

Литература:

  1. Кавтарадзе Р. З. Трехмерное моделирование нестационарных теплофизических процессов в поршневых двигателях: учеб. пособие / Р. З. Кавтарадзе, Д. О. Онищенко, А. А. Зеленцов. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. 85 с.
  2. Кулешов А. С. Программа расчета и оптимизации двигателей внутреннего сгорания ДИЗЕЛЬ-РК. Описание математических моделей, решение оптимизационных задач. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 123 с.
Основные термины (генерируются автоматически): ESE, FIRE, параметр, оксид азота, целевая функция, худший вариант, базовый вариант, базовый расчет, коленчатый вал, лучший вариант.


Похожие статьи

Способы снижения содержания оксидов азота в отработавших...

- изменение параметров давления и температуры воздуха на впуске и коэффициента избытка воздуха (с увеличением

9.Анфилатов А. А. Теоретические расчеты объемного содержания оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле для номинальной частоты...

Оптимизация ДВС с помощью ПК ASCMO | Статья в журнале...

Целевая функция аппроксимируется с помощью зависимости (1), в

Данный метод позволяет получить наилучшую сходимость модели с реальным двигателем.

Помимо четырех указанных величин, варьировались частота вращения коленчатого вала и крутящий момент двигателя.

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

...содержания оксидов азота в выходных газах ГТУ при одновременной стабилизации ее энергетических параметров в камеру сгорания ГТУ

Дудолин А. А., Соколова М. А., Буров Б. В., Цанев С. В. Исследование показателей тепловой экономичности вариантов схем...

Образование оксидов азота из гемиоксида азота в процессе...

В данной статье рассмотрено образование оксидов азота из гемиоксида азота в процессе горения разных видов углеводородного топлива.

Начиная с 150 мкг/м3, при длительных воздействиях происходит нарушение дыхательных функций.

Применение объемной георешетки в основании дорожной одежды

Механические свойства системы определяются свойствами применяемого заполнителя и геометрическими параметрами самой георешетки, создавая изгибную жесткость элемента.

Расчет дорожных одежд с применением георешеток рассчитывается по трем критериям...

Термогазодинамический расчет газотурбинной силовой установки

В случае с корабельным ГТД это гребной винт или валы редуктора. Изменение влажности варьирует основные параметры двигателя в пределах погрешности, менее 1%. Изменение давления в диапазоне возможных значений оказывает меньшее влияние на

Лучшие.

Модель оценивания пар игроков в теннис | Статья в журнале...

Определение 1. Логарифмическая функция потерь (logloss)

Также параметр может не использоваться, тогда мы будем рассматривать все матчи игрока за его карьеру.

Подсчитаем усталость игрока по формуле из работы [9]. В расчёт идут матчи, сыгранные за прошедшие 3...

Свойства L-аргинина и перспективы его применения...

Ключевые слова:L-аргинин, аминокислоты, оксид азота, иммунитет, натуропатия.

Функции аминокислот в организме различны. Они участвуют в образовании клеточной протоплазмы, а значит, играют важную роль в морфогенезе живых клеток.

Оценка вероятности своевременного завершения строительства

Один из основных расчетных параметров модели ― продолжительность критического пути детерминистической модели

― продолжительность критического пути строительства. Ф(х) ― специальная функция стандартного нормального распределения (функция Лапласа)

Способы снижения содержания оксидов азота в отработавших...

- изменение параметров давления и температуры воздуха на впуске и коэффициента избытка воздуха (с увеличением

9.Анфилатов А. А. Теоретические расчеты объемного содержания оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле для номинальной частоты...

Оптимизация ДВС с помощью ПК ASCMO | Статья в журнале...

Целевая функция аппроксимируется с помощью зависимости (1), в

Данный метод позволяет получить наилучшую сходимость модели с реальным двигателем.

Помимо четырех указанных величин, варьировались частота вращения коленчатого вала и крутящий момент двигателя.

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

...содержания оксидов азота в выходных газах ГТУ при одновременной стабилизации ее энергетических параметров в камеру сгорания ГТУ

Дудолин А. А., Соколова М. А., Буров Б. В., Цанев С. В. Исследование показателей тепловой экономичности вариантов схем...

Образование оксидов азота из гемиоксида азота в процессе...

В данной статье рассмотрено образование оксидов азота из гемиоксида азота в процессе горения разных видов углеводородного топлива.

Начиная с 150 мкг/м3, при длительных воздействиях происходит нарушение дыхательных функций.

Применение объемной георешетки в основании дорожной одежды

Механические свойства системы определяются свойствами применяемого заполнителя и геометрическими параметрами самой георешетки, создавая изгибную жесткость элемента.

Расчет дорожных одежд с применением георешеток рассчитывается по трем критериям...

Термогазодинамический расчет газотурбинной силовой установки

В случае с корабельным ГТД это гребной винт или валы редуктора. Изменение влажности варьирует основные параметры двигателя в пределах погрешности, менее 1%. Изменение давления в диапазоне возможных значений оказывает меньшее влияние на

Лучшие.

Модель оценивания пар игроков в теннис | Статья в журнале...

Определение 1. Логарифмическая функция потерь (logloss)

Также параметр может не использоваться, тогда мы будем рассматривать все матчи игрока за его карьеру.

Подсчитаем усталость игрока по формуле из работы [9]. В расчёт идут матчи, сыгранные за прошедшие 3...

Свойства L-аргинина и перспективы его применения...

Ключевые слова:L-аргинин, аминокислоты, оксид азота, иммунитет, натуропатия.

Функции аминокислот в организме различны. Они участвуют в образовании клеточной протоплазмы, а значит, играют важную роль в морфогенезе живых клеток.

Оценка вероятности своевременного завершения строительства

Один из основных расчетных параметров модели ― продолжительность критического пути детерминистической модели

― продолжительность критического пути строительства. Ф(х) ― специальная функция стандартного нормального распределения (функция Лапласа)

Похожие статьи

Способы снижения содержания оксидов азота в отработавших...

- изменение параметров давления и температуры воздуха на впуске и коэффициента избытка воздуха (с увеличением

9.Анфилатов А. А. Теоретические расчеты объемного содержания оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле для номинальной частоты...

Оптимизация ДВС с помощью ПК ASCMO | Статья в журнале...

Целевая функция аппроксимируется с помощью зависимости (1), в

Данный метод позволяет получить наилучшую сходимость модели с реальным двигателем.

Помимо четырех указанных величин, варьировались частота вращения коленчатого вала и крутящий момент двигателя.

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

...содержания оксидов азота в выходных газах ГТУ при одновременной стабилизации ее энергетических параметров в камеру сгорания ГТУ

Дудолин А. А., Соколова М. А., Буров Б. В., Цанев С. В. Исследование показателей тепловой экономичности вариантов схем...

Образование оксидов азота из гемиоксида азота в процессе...

В данной статье рассмотрено образование оксидов азота из гемиоксида азота в процессе горения разных видов углеводородного топлива.

Начиная с 150 мкг/м3, при длительных воздействиях происходит нарушение дыхательных функций.

Применение объемной георешетки в основании дорожной одежды

Механические свойства системы определяются свойствами применяемого заполнителя и геометрическими параметрами самой георешетки, создавая изгибную жесткость элемента.

Расчет дорожных одежд с применением георешеток рассчитывается по трем критериям...

Термогазодинамический расчет газотурбинной силовой установки

В случае с корабельным ГТД это гребной винт или валы редуктора. Изменение влажности варьирует основные параметры двигателя в пределах погрешности, менее 1%. Изменение давления в диапазоне возможных значений оказывает меньшее влияние на

Лучшие.

Модель оценивания пар игроков в теннис | Статья в журнале...

Определение 1. Логарифмическая функция потерь (logloss)

Также параметр может не использоваться, тогда мы будем рассматривать все матчи игрока за его карьеру.

Подсчитаем усталость игрока по формуле из работы [9]. В расчёт идут матчи, сыгранные за прошедшие 3...

Свойства L-аргинина и перспективы его применения...

Ключевые слова:L-аргинин, аминокислоты, оксид азота, иммунитет, натуропатия.

Функции аминокислот в организме различны. Они участвуют в образовании клеточной протоплазмы, а значит, играют важную роль в морфогенезе живых клеток.

Оценка вероятности своевременного завершения строительства

Один из основных расчетных параметров модели ― продолжительность критического пути детерминистической модели

― продолжительность критического пути строительства. Ф(х) ― специальная функция стандартного нормального распределения (функция Лапласа)

Способы снижения содержания оксидов азота в отработавших...

- изменение параметров давления и температуры воздуха на впуске и коэффициента избытка воздуха (с увеличением

9.Анфилатов А. А. Теоретические расчеты объемного содержания оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле для номинальной частоты...

Оптимизация ДВС с помощью ПК ASCMO | Статья в журнале...

Целевая функция аппроксимируется с помощью зависимости (1), в

Данный метод позволяет получить наилучшую сходимость модели с реальным двигателем.

Помимо четырех указанных величин, варьировались частота вращения коленчатого вала и крутящий момент двигателя.

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

...содержания оксидов азота в выходных газах ГТУ при одновременной стабилизации ее энергетических параметров в камеру сгорания ГТУ

Дудолин А. А., Соколова М. А., Буров Б. В., Цанев С. В. Исследование показателей тепловой экономичности вариантов схем...

Образование оксидов азота из гемиоксида азота в процессе...

В данной статье рассмотрено образование оксидов азота из гемиоксида азота в процессе горения разных видов углеводородного топлива.

Начиная с 150 мкг/м3, при длительных воздействиях происходит нарушение дыхательных функций.

Применение объемной георешетки в основании дорожной одежды

Механические свойства системы определяются свойствами применяемого заполнителя и геометрическими параметрами самой георешетки, создавая изгибную жесткость элемента.

Расчет дорожных одежд с применением георешеток рассчитывается по трем критериям...

Термогазодинамический расчет газотурбинной силовой установки

В случае с корабельным ГТД это гребной винт или валы редуктора. Изменение влажности варьирует основные параметры двигателя в пределах погрешности, менее 1%. Изменение давления в диапазоне возможных значений оказывает меньшее влияние на

Лучшие.

Модель оценивания пар игроков в теннис | Статья в журнале...

Определение 1. Логарифмическая функция потерь (logloss)

Также параметр может не использоваться, тогда мы будем рассматривать все матчи игрока за его карьеру.

Подсчитаем усталость игрока по формуле из работы [9]. В расчёт идут матчи, сыгранные за прошедшие 3...

Свойства L-аргинина и перспективы его применения...

Ключевые слова:L-аргинин, аминокислоты, оксид азота, иммунитет, натуропатия.

Функции аминокислот в организме различны. Они участвуют в образовании клеточной протоплазмы, а значит, играют важную роль в морфогенезе живых клеток.

Оценка вероятности своевременного завершения строительства

Один из основных расчетных параметров модели ― продолжительность критического пути детерминистической модели

― продолжительность критического пути строительства. Ф(х) ― специальная функция стандартного нормального распределения (функция Лапласа)

Задать вопрос