Обзор математических моделей рабочих процессов газового двигателя и известные результаты их использования | Статья в сборнике международной научной конференции

Автор:

Рубрика: 1. Информатика и кибернетика

Опубликовано в

VI международная научная конференция «Технические науки в России и за рубежом» (Москва, ноябрь 2016)

Дата публикации: 03.11.2016

Статья просмотрена: 105 раз

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. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/228/11310/ (дата обращения: 19.09.2018).



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): программный комплекс, программа, многопараметрическая оптимизация, EXAUST, камера сгорания, динамик развития, газовый двигатель, выпускная система, FAKEL, цепной механизм.

Ключевые слова

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

Похожие статьи

Оптимизация геометрических параметров камеры сгорания...

Целью данной работы является оптимизация геометрии камеры сгорания дизеля для

Параметры двигателя и системы подачи топлива приведены в табл. 2

85 с. Кулешов А. С. Программа расчета и оптимизации двигателей внутреннего сгорания ДИЗЕЛЬ-РК.

Математическая модель расчета двухтактных двигателей...

Оптимизация геометрических параметров камеры сгорания...

Ключевые слова:кривошипно-шатунный механизм, двигатель внутреннего сгорания.

85 с. Кулешов А. С. Программа расчета и оптимизации двигателей внутреннего сгорания ДИЗЕЛЬ-РК.

Анализ конструктивных решений по созданию транспортной...

Применение компоновок с отдельной камерой сгорания для каждого рабочего поршня, в т. ч

двигатель, шатунно-поршневая группа, кривошипно-шатунный механизм, система питания двигателя, система впуска топливно-воздушной смеси, система выпуска отработавших газов.

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

...двигателя КАМАЗ и проведена многопараметрическая оптимизация рабочего процесса по

Ключевые слова: комбинированный двигатель внутреннего сгорания, кибернетическая

Оптимизация на основе кибернетических моделей (программный комплекс (ПК) ASCMO [6...

Математическая модель оптимизации режима горения...

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

Виртуальная лаборатория для расчета развития топливного факела

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

Перспективы применения роторно-поршневых двигателей

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

Лабораторные испытания ТЭГ системы выпуска двигателя...

При этом используется либо двигатель внутреннего сгорания с тормозным устройством [8, с. 685], либо транспортное средство с установленным в системе выпуска отработавших газов разработанным термоэлектрическим генератором [9, с. 103].

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Оптимизация геометрических параметров камеры сгорания...

Целью данной работы является оптимизация геометрии камеры сгорания дизеля для

Параметры двигателя и системы подачи топлива приведены в табл. 2

85 с. Кулешов А. С. Программа расчета и оптимизации двигателей внутреннего сгорания ДИЗЕЛЬ-РК.

Математическая модель расчета двухтактных двигателей...

Оптимизация геометрических параметров камеры сгорания...

Ключевые слова:кривошипно-шатунный механизм, двигатель внутреннего сгорания.

85 с. Кулешов А. С. Программа расчета и оптимизации двигателей внутреннего сгорания ДИЗЕЛЬ-РК.

Анализ конструктивных решений по созданию транспортной...

Применение компоновок с отдельной камерой сгорания для каждого рабочего поршня, в т. ч

двигатель, шатунно-поршневая группа, кривошипно-шатунный механизм, система питания двигателя, система впуска топливно-воздушной смеси, система выпуска отработавших газов.

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

...двигателя КАМАЗ и проведена многопараметрическая оптимизация рабочего процесса по

Ключевые слова: комбинированный двигатель внутреннего сгорания, кибернетическая

Оптимизация на основе кибернетических моделей (программный комплекс (ПК) ASCMO [6...

Математическая модель оптимизации режима горения...

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

Виртуальная лаборатория для расчета развития топливного факела

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

Перспективы применения роторно-поршневых двигателей

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

Лабораторные испытания ТЭГ системы выпуска двигателя...

При этом используется либо двигатель внутреннего сгорания с тормозным устройством [8, с. 685], либо транспортное средство с установленным в системе выпуска отработавших газов разработанным термоэлектрическим генератором [9, с. 103].

Задать вопрос