Библиографическое описание:

Зарипов Р. Э. Обзор математических моделей рабочих процессов газового двигателя и известные результаты их использования [Текст] // Технические науки в России и за рубежом: материалы VI Междунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2016 г.). — М.: Буки-Веди, 2016. — С. 1-3.



Известные модели смесеобразования и сгорания чрезвычайно разнообразны. Существенные различия взглядов авторов касаются, в частности, характера течения в топливной струе, распределения масс топлива в ее объеме, наличия в струе характерных зон, учета относительного движения частиц топлива и спутного газа в струе, способов описания горения топлива и образование его токсичных продуктов. Большинство использующихся в отечественной практике моделей интегрально описывают поведение рабочего тела в цилиндре. Очевидно, что такие модели не в состоянии помочь выполнить согласованный выбор параметров газового оборудования и КС, а также получить адекватную картину образования токсичных продуктов сгорания.

Ключевые слова: камера сгорания, газовый двигатель, программный комплекс, отработавшие газы, моделирование, математическая модель, кинетический расчет, расчет образования, токсичные компоненты

В ЦНИДИ на протяжении многих лет велась разработка программного комплекса для численного моделирования рабочих процессов с различными системами воздухоснабжения и газотурбинного наддува, в состав которого входят программы ИМПУЛЬС и ВОЛНА [1], основанные на методике Б. М. Гончара [2]. В программе ИМПУЛЬС реализован расчет нестационарных процессов в выпускной системе на основе квазистатических уравнений и обеспечено замкнутое моделирование с автоматической балансировкой мощностей компрессора и турбины. В программе ВОЛНА, в отличие от программы ИМПУЛЬС реализовано моделирование рабочего процесса с учетом волновых явлений в произвольных разветвленных выпускных системах на основе использования уравнений одномерной нестационарной газодинамики для потока газа. В дальнейшем программный комплекс был дополнен программой FAKEL, позволяющей моделировать динамику развития топливного факела и распределения топлива в объеме камеры сгорания (КС), а также программой EXAUST для моделирования неравновесной кинетики образования NOx при сгорании различных топлив в газовом двигателе (ГД). Следует отметить, что в данном программном комплексе отсутствует процедура многопараметрической оптимизации конструктивных и регулировочных параметров двигателя.

В большинстве расчетных исследований в качестве оценочного параметра и параметра оптимизации использовался удельный индикаторный или эффективный расход топлива, что связано с отсутствием в используемом программном обеспечении моделей процессов образования токсичных компонентов отработавших газов (ОГ).

Одной из наиболее достоверных и апробированных методик по моделированию процессы смесеобразования и сгорания в двигателе является методика, предложенная в начале 90-ых годов профессором Н. Ф. Разлейцевым и в дальнейшем доработанная к. т.н., сотрудником кафедры Э-2(«Поршневые ДВС») МГТУ им. Н. Э. Баумана — А. С. Кулешовым [3]. Эта методика, реализованная А. С. Кулешовым в программе ДИЗЕЛЬ-4т, а затеем в несколько модернизированном виде в программе ДИЗЕЛЬ-РК (РК-модель), учитывает:

‒ особенности характеристики впрыска, включая многофазный впрыск,

‒ мелкость распыливания топлива,

‒ ориентацию струй в камере сгорания,

‒ динамику развития топливных струй,

‒ взаимодействие струй с воздушным вихрем и стенками.

По своей идеологии, РК-модель близка к модели профессора Хироясу (Hiroyasu) из университета города Хиросимы, хотя имеет существенные отличия, главным образом связанные с более детальным рассмотрением взаимодействия топливных струй со стенками и между собой.

Программа ДИЗЕЛЬ-РК, в отличие от многих других, позволяет помимо расчетов показателей ГД решать также оптимизационные задачи, для чего имеется встроенная процедура многопараметрической оптимизации, включающая 14 методов оптимального поиска, а также процедуры одно- и двухпараметрического сканирования.

В математической модели газообмена весь газовоздушный тракт комбинированного двигателя, состоящий из впускного коллектора, впускных клапанных каналов, цилиндра, выпускных клапанных каналов, выпускного коллектора и преобразователя импульсов условно разбит на отдельные фрагменты, обменивающиеся между собой массой и энергией. Для каждого из фрагментов решается система уравнений сохранения массы, энергии, количества движения и уравнение состояния со своими, характерными для данного фрагмента допущениями. В каждом фрагменте, кроме преобразователя импульсов также учитывается теплообмен со стенками.

В программе ДИЗЕЛЬ-РК реализована современная методика расчета эмиссии оксидов азота на основе схемы Зельдовича, особенностями которой являются:

‒ расчет равновесного состава в зоне продуктов сгорания для восемнадцати компонентов на каждом шаге расчета [4];

‒ кинетический расчет образования термических оксидов азота по цепному механизму Я. Б. Зельдовича [5];

‒ расчет образования NO по уравнению цепного механизма производится для зоны сгорания, затем определяется средняя концентрация NO по КС.

Расчет эмиссии дыма в программе ДИЗЕЛЬ-РК осуществляется по методике профессора Н. Ф. Разлейцева [6], в которой сделана попытка учесть влияние особенности процесса горения распыленного 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;

‒ вследствие высокотемпературной термической полимеризации и дегидрогенизации парожидкостного ядра испаряющихся капель.

После многократных доработок программы ДИЗЕЛЬ-РК были проведены расчетные исследования различных дизелей на их математических моделях и показана возможность оптимизации их параметров по выбросам NOx, сажи и топливной экономичности [3]. В ходе этих расчетных исследований безнаддувного дизеля Д-120 с использованием программы ДИЗЕЛЬ-РК было, в частности, установлено, что резервом для улучшения показателей двигателя является изменение степени сжатия ɛ и УОВТ-φопер. На рисунке 1 представлены, полученные методом сканирования, семейства изолиний для постоянных значений: уровня эмиссии оксидов азота NOx (г/м3), максимального давления цикла pz (бар), удельного эффективного расхода топлива be, (г/кВт·ч).

Рис. 1. Влияние степени сжатия ɛ и УОВТ φопер на параметры дизеля

Подведем итог, сокращение времени, затрачиваемого на разработку новых моделей двигателей, и снижение финансовых затрат на доводочные экспериментальные исследования делает необходимым использование программных продуктов, достоверно моделирующих рабочие процессы в ГД, в том числе и образование токсичных веществ. Данные программы также должны иметь встроенную процедуру многопараметрической оптимизации. В связи с этим хотелось бы отметить, что для получения достоверных результатов расчетных исследования ГД с системой РОГ при разработке математической модели рабочих процессов необходимо учесть влияние РОГ и элементов системы РОГ (клапаны, теплообменник РГ, трубопроводы и т. д.) на газодинамические процессы во впускной и выпускной системах ГД, работу ТКР, состав поступающего в цилиндры заряда, образование различных токсичных веществ, а также правильно определять параметры газа в сопле Вентури и количество эжектируемых с его помощью РГ. Данные требования были учтены и реализованы А. С. Кулешовым в новой версии программы ДИЗЕЛЬ-РК.

Литература:

  1. Красовский О. Г., Берман А. А., Матвеев В. В. Применение программ численного моделирования рабочего процесса дизелей // Труды ЦНИДИ «ЭВМ в исследовании и проектировании двигателей внутреннего сгорания». — Л.: ЦНИДИ, 1986. — С. 100–111.
  2. Гончар Б. М. Применение ЭВМ в дизелестроении // Труды ЦНИДИ «Дизелестроение». — Л.: Машиностроение, 1974. — С. 187–192.
  3. Кулешов А. С., Грехов Л. В. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация топливоподачи и рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. — 64 с.
  4. Хрящёв Ю. В., Блаженнов Е. И. Электронное управление работой автомобильных двигателей: Учеб. пособие. — Ярославль: ЯПИ, 1990. — 92 с.
  5. Дизели. Справочник / Байков Б. П., Ваншейдт В. А., Воронов И. П. и др. Под ред. Ваншейдта В. А., Иванченко Н. Н., Коллерова Л. К. — Л.: Машиностроение, 1977. — 480 с.
  6. Звонов В. А. Образование загрязнений в процессах сгорания. — Луганск: Изд-во Восточноукраинского государственного университета, 1998. — 126 с.
Основные термины (генерируются автоматически): рабочих процессов, программе ДИЗЕЛЬ-РК, расчет образования, эмиссии оксидов азота, многопараметрической оптимизации, процедура многопараметрической оптимизации, продуктов сгорания, программы ДИЗЕЛЬ-РК, токсичных продуктов сгорания, кинетический расчет, образования токсичных, объеме камеры сгорания, двигателей внутреннего сгорания, расчет нестационарных процессов, зоне продуктов сгорания, расчетных исследований, процессов образования токсичных, преобразователя импульсов, камера сгорания, процессов газового двигателя.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle