Рабочие процессы ДВС УДК 621.43 Ф.И. Абрамчук, д-р техн. наук, А.Н. Авраменко, канд. техн. наук. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНУТРИЦИЛИНДРОВЫХ ПРОЦЕССОВ ДВС Введение В последнее время основное внимание в со­ временном двигателестроении уделяется пробле­ мам улучшения экономических и экологических показателей ДВС при обеспечении заданного мо­ торесурса. Ужесточение требований к токсичности отработавших газов ДВС вызывает необходимость при разработке новой модификации двигателя ре­ шать ряд компромиссных задач, которые неиз­ бежно оказывают влияние на его технико-экономи¬ ческие показатели. Доводка ДВС и, соответственно, расчетно- теоретическая и экспериментальная оценка показа¬ телей рабочего цикла требует значительных мате¬ риальных и временных затрат. Использование современных программных комплексов позволяет расчетным путем оценивать экономические и экологические показатели ДВС еще на стадии проектирования, что дает воз­ можность существенно сократить сроки создания и доводки новой модификации двигателя, обладаю¬ щего высокими технико-экономическими и эколо¬ гическими показателями. Анализ публикаций Повышение уровня форсирования современ¬ ных дизелей оказывает неизбежное влияние на технико-экономические, экологические и ресурс¬ ные показатели ДВС, что в свою очередь, требует их комплексной оценки и совершенствования пока¬ зателей качества. Как следует из ряда зарубежных публикаций [1 - 4], современные программные комплексы, та­ кие как AVL Fire, Ansys, KIVA и другие позволяют с высокой степенью достоверности моделировать внутрицилиндровые процессы ДВС различных ти¬ пов. Возможности этих программных комплексов при моделировании рабочего цикла ДВС позво¬ ляют учитывать конфигурацию камеры сгорания (КС), кинематику кривошипно-шатунного и газо¬ распределительного механизмов, параметры топ- ливоподачи, состав топлива, параметры окружаю¬ щей среды и другие факторы. С использованием численных методов можно оценивать параметры рабочего цикла ДВС и ток- сичность продуктов сгорания. По свидетельству авторов [3, 4] при исполь­ зовании численных методов для моделирования рабочего цикла ДВС удается добиться почти 100 % совпадения расчетных и экспериментальных инди¬ каторных диаграмм, а расчетные значения выбро¬ сов оксидов азота NO x , например для дизелей Caterpillar 3401, 3406 и ОМ-355 Mercedes Benz, отличаются от экспериментальных в среднем на 5 - 15 % в зависимости от режима работы дизеля. Результаты расчета рабочего цикла в даль­ нейшем можно использовать для решения сопря¬ женной задачи среда - твердое тело с последую¬ щим расчетом температур, напряжений и деформа­ ций деталей КС. При этом, в зависимости от версии программного обеспечения для передачи гранич¬ ных условий (ГУ) теплообмена и характера их рас¬ пределения по поверхности КС в термоструктур¬ ный анализ иногда возникает необходимость для выбранного временного интервала повторять газо¬ динамический расчет [5]. Таким образом, по результатам литературного обзора можно сделать вывод, что совершенствова¬ ние показателей ДВС по таким параметрам, как топливная экономичность, токсичность отработав¬ ших газов (ОГ) и моторесурс является приоритет¬ ным направлением развития двигателестроения, а использование современных программных ком¬ плексов в сочетании с экспериментальными иссле¬ дованиями позволяет существенно ускорить про¬ цесс доводки и снизить материальные затраты. Цель и задачи исследования Цель работы - усовершенствование про¬ граммного комплекса путем дополнения про¬ граммного модуля синтеза расчетной области КС произвольной формы, настройка параметров моде¬ лей процессов смесеобразования и сгорания в ци¬ линдре дизеля, демонстрация возможностей про¬ граммного комплекса и проверка полученных ре¬ зультатов на адекватность. В работе ставились такие задачи: - провести литературный обзор по современ¬ ным методам моделирования рабочего цикла и рас¬ четной оценке состава продуктов сгорания дизеля; - дополнение программного комплекса мо- ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2'2010 7 Рабочие процессы ДВС дулем синтеза расчетной области КС произвольной формы; - настройка параметров моделей процессов смесеобразования и сгорания в цилиндре дизеля; - рассмотреть возможности программного комплекса для моделирования внутрицилиндровых процессов ДВС; - с использованием численных методов вы¬ полнить расчет рабочего цикла дизеля при работе на режиме номинальной мощности; - оценить состав продуктов сгорания по та¬ ким компонентам как NO, CO и твердые частицы (ТЧ); - сравнить результаты расчета состава про¬ дуктов сгорания с данными эксперимента и резуль¬ татами расчета с использованием методик других авторов; - оценить адекватность полученных резуль¬ татов. Основные этапы и результаты исследования Программный комплекс позволяет проводить численное моделирование рабочего цикла ДВС с КС произвольной конфигурации, например цилин¬ дрической, тороидальной, полусферической, типа ЦНИДИ, Гессельмана и др. В представленной работе рассматривается расчет сжимаемого турбулентного течения топли- вовоздушной смеси в цилиндре дизеля в нестацио¬ нарной постановке. С учетом рекомендаций ком¬ паний AVL и Ricardo для описания турбулентных течений в цилиндре ДВС выбрана к-е модель [6, 7]. Для моделирования динамики распростране¬ ния топливных факелов в КС в программном ком¬ плексе используется модель распада струи Wave Breakup Model [8 - 10]. Область сопловых отвер¬ стий распылителя находится в стационарной зоне расчетной сетки, что позволяет без изменений применять установочные параметры, полученные в результате моделирования распространения струй топлива для последующего расчета рабочего цикла дизеля. В расчете процесса наполнения цилиндра учитывается наличие остаточных газов в цилиндре и впускном канале. В качестве начальных условий задаются: дав¬ ление, температура, масса остаточных газов в ка¬ мере сгорания и впускном канале, а также скорости потока в КС. Для описания процесса теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра в программ¬ ном комплексе используется модель полной энер¬ гии (Total Energy), которая позволяет достаточно точно моделировать процесс теплообмена для сжимаемых жидкостей и газов, и учитывать эффект нагрева рабочего тела в пограничном слое при движении потока с большими скоростями. В качестве ГУ задаются давление и темпе¬ ратура воздуха на впуске, параметры процесса топ- ливоподачи, характеристики перемещения поршня, впускного и выпускного клапанов. В расчете учи¬ тывается теплообмен рабочего тела со стенками впускного и выпускного каналов и КС, а также ше¬ роховатость поверхностей деталей КС. Для моделирования процесса горения в ци¬ линдре дизеля в программном комплексе исполь¬ зуются такие модели: - модель разложения вихря (Eddy Dissipation) [11]; - модель пламен (Flamelet Model) [12]; - модель, описывающая скорости химиче¬ ских реакций в пламени (Finite Rate Chemistry); - объединенная модель (Combined Model); - модель горения углеводородных топлив (Hydrocarbon Fuel Model). Для моделирования процесса образования NO в цилиндре дизеля в программном комплексе ис¬ пользуются такие механизмы: - термический механизм Зельдовича; - "быстрый " механизм образования NO; - образование NO по механизму "N2O"; - "топливные" NO; - механизм, описывающий деструкцию NO. Для моделирования процесса образования са¬ жи и сульфатов в цилиндре дизеля в программном комплексе используется модель "Magnussen and Hjertager" [13]. Для наглядной демонстрации возможностей программного комплекса было выполнено числен¬ ное моделирование рабочего цикла дизеля Д21А при работе на режиме номинальной мощности. Авторами была синтезирована исходная гео¬ метрия КС, выделена расчетная область и сгенери¬ рована гексаэдральная сетка, описывающая конфи¬ гурацию КС дизеля Д21 А и выполнена настройка параметров моделей процессов смесеобразования и сгорания в цилиндре дизеля. Объект исследования - показатели рабочего цикла и состав продуктов сгорания тракторного 8 ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2'2010 Рабочие процессы ДВС дизеля Д21А (2410,5/12) при работе на режиме но­ минальной мощности. Краткая техническая характеристика дизеля представлена в табл. 1. Таблица 1. Техническая характеристика дизеля Двигатель Д21А Отношение 8/0, мм 120/105 Степень сжатия 16,5 Номинальная мощность, кВт 18,4 Частота вращения, соответствую­ щая номинальной мощности, мин-1 1800 Тип КС - полусферическая в поршне Давление начала впрыска, МПа 17 Количество сопловых отверстий распылителя 3 Диаметр сопловых отверстий, мм 0,3 Угол опережения впрыска топлива до ВМТ, град. п.к.в. 14 Продолжительность впрыска, град. п.к.в. 20 Фазы газораспределения: - открытие впускного клапана, град. п.к.в. до ВМТ; - закрытие впускного клапана, град. п.к.в. после НМТ; - открытие выпускного клапана, град. п. к.в. до НМТ; - закрытие выпускного клапана, град. п.к.в. после ВМТ. 16 40 40 16 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 над- поршневого пространства в камеру при движении поршня к ВМТ расчетная область имеет участок, описывающий кольцевой зазор между боковой по¬ верхностью головки поршня и зеркалом цилиндра, что позволяет более корректно моделировать взаи¬ модействие топливного факела с кольцевым вих¬ рем (рис. 1.а) [14]. Для описания расчетной области использу¬ ется гексаэдральная сетка. Расчетная сетка содер¬ жит 305150 расчетных ячеек (рис.1.б). В близи под¬ вижных границ минимальная высота промежуточ¬ ного слоя равна 0,1 мм. Основные результаты исследования Рассматриваемая в работе задача решалась в течении 7 суток с использованием персонального компьютера на базе процессора Intel Core 2 Duo, имеющего 4 Гб оперативной памяти и суммарную частоту двух ядер процессора 6 ГГц . Расчетные значения скоростей и траекторий движения свежего заряда сравнивались с сущест¬ вующими экспериментальными данными, полу­ ченными методом электротермоанемометрирова- ния на идентичном режиме работы дизеля [15]. 6) Рис. 1. Расчетная область (а) и сгенерированная сетка, описывающая конфигурацию КС дизеля Д21А (б) Установлено, что в процессе наполнения ци­ линдра скорость свежего заряда по объему цилинд¬ ра изменяется неравномерно (рис. 2). Максималь¬ ное расчетное значение полной скорости свежего заряда зарегистрировано в области клапанной щели и достигает 300 м/с (на рис. 2 не показано). В об­ ласти огневого донышка поршня скорость потока изменяется от 5 до 40 м/с, в зависимости от вы¬ бранного сечения и текущего положения поршня. Г ~ ^ ^ II Ч / ^ Рис. 2. Распределение полной скорости свежего заряда в процессе наполнения цилиндра ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 22010 9 Рабочие процессы ДВС На такте сжатия скорость свежего заряда из­ меняется от 10 до 40 м/с. Схема распространения топливных факелов и особенности КС (вид сверху), представлены на рис. 3. пространения струй топлива отмечается в области сопловых отверстий распылителя и достигает 250 м/с. В пристеночном слое КС скорость струй топ­ лива изменяется от 80 до 125 м/с. Рис. 3. Схема распространения топливных факелов в КС дизеля Д21А 1 - топливный факел № 1; 2 - топливный факел № 2; 3 - топливный факел № 3 Характер и скорость распространения топ­ ливного факела № 3 по объему КС представлены на рис. 4. Максимальное значение скорости рас- Р, МПа Рис. 4. Распределение скорости топливного факела в процессе впрыска На рис. 5. представлено сравнение расчетной и экспериментальной индикаторных диаграмм, со¬ ответствующих режиму номинальной мощности. Максимальное давление сгорания (Р г) отмечается при а = 367 град. п.к.в. и достигает 7,6 МПа. Рис. 5. Сравнение расчетной и экспериментальной индикаторных диаграмм Хорошее согласование расчетной и экспери­ ментальной [14] индикаторных диаграмм свиде¬ тельствует о достаточно корректном моделирова¬ нии рабочего цикла дизеля на выбранном режиме. С целью уменьшения размерности решаемой задачи на участке от момента закрытия впускного клапана до открытия выпускного клапана в расчет¬ ной области исключены впускной и выпускной каналы. На рис. 6 представлено изменение температу¬ ры газа в меридиональном сечении КС, лежащем вдоль оси топливного факела № 3, в процессе рас¬ пространения фронта пламени. При этом максимальная расчетная температу¬ ра в цилиндре достигает 2400 К, а её усредненное значение по объему цилиндра не превышает 1870К. 10 ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 22010 Рабочие процессы ДВС Рис. 6. Распределение температуры в цилиндре дизеля в процессе горения топливовоздушной смеси (режим с Ne = 18,4 кВт, при П = 1800 мин-1) Рис. 7. Изменение массовой концентрации NO в цилиндре дизеля, в зависимости от угла поворота коленчатого вала (режим с Ne = 18,4 кВт при П = 1800 мин-1) Далее был выполнен расчет токсичности про¬ дуктов сгорания. Изменение массовой концентра­ ции N0 в цилиндре дизеля представлено на рис. 7. Концентрация N0, усредненная по объему цилинд­ ра за цикл, не превышает 1720 чнм, что на 6 % вы­ ше, чем данные эксперимента [16] на идентичном режиме работы дизеля. Распределение нераствори­ мых компонентов Т 4 - сажи и сульфатов в цилин¬ дре дизеля в процессе горения топливовоздушной смеси представлено на рис. 8. Выброс Т 4 с ОГ, усредненный по объему ци­ линдра, составляет 8,1Т0 - 3 кг/ч. Концентрация СО в ОГ дизеля за цикл составила 2130 чнм. Расчет эмиссии МЗ Х в ОГ дизеля по методике [17] предполагал три стадии образования >ГОХ в цилиндре дизеля. Сравнительные результаты рас- четно-теоретического и экспериментального ис¬ следований по оценке токсичности продуктов сго¬ рания представлены в табл. 2. Рис. 8. Изменение массовой концентрации ТЧ в цилиндре дизеля в зависимости от угла поворота коленчатого вала (режим с Ne = 18,4 кВт при П = 1800 мин-1) Выводы Программный комплекс, реализующий из¬ вестные расчетные методы, дополнен модулем синтеза расчетной области КС произвольной фор¬ мы, который использовался авторами для синтеза расчетной области КС на тактах впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. В ходе выполнения рабо¬ ты проведена настройка параметров моделей про¬ цессов смесеобразования и сгорания в цилиндре дизеля. По результатам проведенного расчетно-теоре- тического исследования можно отметить следую¬ щее: - использование расчетной сетки размерно¬ стью 305150 расчетных ячеек с минимальной вы¬ сотой промежуточного слоя вблизи подвижных границ, равной 0,1 мм, позволяет достаточно кор¬ ректно моделировать внутрицилиндровые про¬ цессы дизеля 2Ч10,5/12 и получать необходимую информацию для последующей доводки ДВС; - в процессе наполнения цилиндра скорость ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 22010 11 Рабочие процессы ДВС свежего заряда по объему цилиндра изменяется неравномерно, максимальные расчетные значения полной скорости свежего заряда зарегистрированы в области клапанной щели и достигают 300 м/с; - хорошее согласование расчетной и экспе¬ риментальной индикаторных диаграмм свидетель¬ ствует о достаточно корректном моделировании рабочего цикла дизеля на режиме номинальной мощности; - расчетные значения N0, полученные с ис¬ пользованием численных методов, отличаются от экспериментальных на 6 %, а СО на 4 %, что сви¬ детельствует о корректном моделировании рабо¬ чего цикла на исследуемом режиме; согласование результатов численного моде¬ лирования рабочего цикла дизеля (поля скоростей, внутрицилиндровые температуры, индикаторная диаграмма и характеристики токсичности отрабо¬ тавших газов) с данными экспериментов, свиде¬ тельствует об адекватности полученных результа¬ тов. Таблица 2. Основные результаты исследования Аналитические методы 1 Расчет по Расчет по Режим Эксперимент [16] методике [17] методике [18] Численные методы NOx, СН, CO, N, NO, CD, ОТЧ, NO, CO, ОТЧ, чнм чнм чнм % чнм кг/ч кг/ч чнм чнм кг/ч Ne =18,4 кВт при n = 1800 мин 1 1610 25 2050 27 1002 1,066-10" 2 9,86-10"3 1720 2130 8,1103 Список литературы: 1. Dahlen 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. Epping, K. The Potential of HCCI Combustion for High Efficiency and Low Emissions / Epping K., Aceves S., Bechtold R., Dec J. / SAE Technical Paper 2002-01-1923, 2002. 3. Ranjbar A. A. Computational study of the effect of different injection angle on heavy duty diesel engine /Ranjbar A. A., Sedighi K., Farhadi M., Pour- fallah M. / THERMAL SCIENCE. - Vol. 13, No. 3. - 2009. PP. 9-21.4. Jafaramadr S. Modeling the Effect of Spray/Wall impingement on combustion process and emis¬ sion of di diesel engine / Jafaramadr S., Khalilarya S., Shafee S., Barzegar R. / THERMAL SCIENCE. - Vol. 13, No. 3. - 2009. PP. 23 - 34. 5. Авраменко А.Н. Оценка экономиче­ ских, экологических и прочностных показателей быст­ роходного дизеля/А.Н. Авраменко /Вестник НТУ "ХПИ". - 2009. - № 47. - С. 127- 132. 6. Режим доступа: www.avl.com. 7. Режим доступа: www.ricardo.com. 8. Raitz R.D. Structure of high-pressure fuel sprays / R.D. Raitz, R. Diwakar / SAE 870598. 1987. 9. Raitz R.D. Modeling Atomization Processes in High-Pressure Vaporizining Sprays / Atomization and Spray Technology. - vol.3, 309-337. - 1987. 10. Liu, A.B. Modeling the Effects of Drop Drag and Break-up on Fuel Sprays /A.B. Liu, R.D. Reitz /SAE 930072. - 1993. 11. Magnussen, B. F. The Eddy Dissipation Concept for Turbulent Combustion Modelling. Its Physical and Prac¬ tical Implications,Presented at the First Topic Oriented Technical Meeting, International Flame Research Founda¬ tion, Ijmuiden / B. F. Magnussen. The Netherlands, Oct. 1989. 12. Peters, N. Turbulent Combustion, Cambridge monographs on mechanics / Cambridge University Press. - 2000. 13. On Mathematical Modeling of Turbulent Combus¬ tion with Special Emphasis on Soot Formation and Combus¬ tion. / Sixteenth Symp / B. F. Magnussen, B. H. Hjertager. (Int.) on Combustion. The Combustion Institute. P. 719, - 1976. 14. Эфрос В.В. Дизели с воздушным охлаждением Владимирского тракторного завода. В.В. Эфрос - М.: Машиностроение, 1976. - 277 с. 15. Ховах М.С. Авто¬ тракторные двигатели. Исследование рабочих процес¬ сов, систем топливоподачи и газообмена/ Ховах М.С. - М.: Машиностроение, 1968. - 340 с. 16. Бганцев В.Н. Газовый двигатель на базе четырехтактного дизеля общего назначения / В.Н. Бганцев, А.М. Левтеров, В.П. Мараховский //Мир Техники и Технологий - № 10. - 2003. С. 74 - 75. 17. Разлейцев Н. М. Моделирование и оптими¬ зация процессов сгорания в двигателях/ Н.М. Разлейцев— Х.: Вища школа, 1980.— 169 с. 18. Парсаданов И.В. По¬ вышение качества и конкурентоспособности дизелей на основе комплексного топливно-экологического критерия / И.В. Парсаданов- Издательский центр НТУ «ХПИ», 2003. - 244 с. 12 ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2'2010