автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Расширение концентрационного диапазона устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе с унифицированным рабочим процессом

005012673

ГАРИПОВ Кирилл Назифович

РАСШИРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННОГО ДИАПАЗОНА УСТОЙЧИВОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ДВИГАТЕЛЕ С УНИФИЦИРОВАННЫМ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАР ^¡2

Уфа-2012

005012673

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре Двигателей внутреннего сгорания

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Еникеев Рустэм Данилович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Гимранов Эрнст Гайсович, кафедра прикладной гидромеханики Уфимского государственного авиационного

технического университета

доктор технических наук, доцент, Галиуллин Рустам Рифович, кафедра электроснабжения и применения электрической энергии в сельском хозяйстве Башкирского государственного аграрного университета

Ведущая организация: Производственное объединение

«Алтайский Моторный Завод», г. Барнаул

Защита диссертации состоится <¿3» марта 2012 г. в J О часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12, УГАТУ, зал заседаний ученого совета (1 корпус). Телефон (347) 273-77-92, факс (347) 272-29-18, e-mail: admin@ugatu.ac.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Автореферат разослан «/*/» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Топливная экономичность является ключевым показателем качества поршневых двигателей внутреннего сгорания (далее ПДВС), определяющим уровень их эффективных и экологических показателей. Одним из наиболее перспективных способов повышения топливной экономичности и снижения токсичности выбросов ПДВС с искровым воспламенением является переход на качественное регулирование нагрузки. Усилия многих лабораторий повсюду в мире направлены на решете этой проблемы. К настоящему времени достигнута стабильная работа двигателей с коэффициентом избытка воздуха на уровне 3 - 3,5, что недостаточно для качественного регулирования во всем

диапазоне нагрузок.

На кафедре ДВС УГАТУ в течение ряда лет разрабатывается новый рабочий процесс, обеспечивающий бездетонационное сгорание бензинов, дизельного топлива, спиртов и их смесей с водой в условиях высоких степеней сжатия с качественным регулированием нагрузки. Рабочий процесс базируется на впрыске в камеру сгорания топливовоздушной струи и ее воспламенении свечой зажигания на периферии топяивовоздупшого факела. Этот процесс получил наименование унифицированного рабочего процесса (далее УРП). Обеспечение стабильных (по концентрации топлива и газодинамическому состоянию заряда) условий воспламенения является условием реализации процесса. К настоящему времени двигатель с УРП обладает максимальным коэффициентом избытка воздуха на уровне 3,5.

В настоящем исследовании предложена и реализована быстросчетная методика моделирования течения двухфазной струи для расчета концентрационных полей в камере сгорания ПДВС, позволившая определить влияние различных факторов на условия воспламенения топливовоздушной струи и на этой основе предложить техническое решение, обеспечивающее стабильное воспламенение различных топлив во всем диапазоне нагрузок в условиях качественного регулирования нагрузки. Актуальность настоящего исследования определяется тем, что методика моделирования делает возможным на ранних этапах проектирования получение точных и надежных прогнозов облика камеры сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи для реализации в нем качественного регулирования нагрузки от а « 1 до а « 5 - 6.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является расширение концентрационного диапазона устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи для обеспечения качественного регулирования в диапазоне нагрузок от полной до холостого хода.

В соответствии с целью формулировались задачи исследования:

1. Обосновать и разработать методику моделирования течения двухфазной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи.

2. Используя методику моделирования течения двухфазной струи, рассчитать камеру сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом с целью создания оптимальных условий в области свечи зажигания для воспламенения топливовоздушной струи в диапазоне значений среднего по объему камеры сгорания коэффициента избытка воздуха от а » 1 до а » 5 - 6.

3. Экспериментально подтвердить эффективность прогнозных технических решений по исполнению камеры сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом, направленных на стабилизацию необходимого коэффициента избытка воздуха и скорости струи в области свечи зажигания и реализацию качественного регулирования в диапазоне нагрузок от полной до холостого хода при работе двигателя на бензине и дизельном топливе.

Методы исследования. При выполнении работы использованы следующие методы исследования:

- методы математического моделирования процессов в сложных технических системах, включая методы численного решения систем обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных;

-экспериментальные исследования на полноразмерных ПДВС.

Исследование носило расчетно-экспериментальпый характер. Математические модели процессов течения двухфазной струи в камере сгорания ПДВС проверялись на достоверность сравнением прогнозируемых показателей с экспериментальными данными, полученными на полноразмерном ДВС.

Научная повизна.

1. Разработана методика моделирования течения двухфазной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением, позволяющая рассчитывать течение двухфазных сверхзвуковых струй.

2. Выявлены закономерности влияния геометрии камеры сгорания, углов опережения впрыска и зажигания, цикловой дозы топлива, среднего по объему камеры сгорания топливовоздушного соотношения и иных параметров на воспламеняемость топливовоздушной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением.

3. Предложен метод стабилизации концентрации топлива и скорости струи в области свечи зажигания, заключающийся в размещении соосно струе предкамеры, что позволило впервые в двигателях с искровым воспламенением реализовать устойчивое воспламенение топливовоздушной смеси и качественное регулирование нагрузки в диапазоне от полной до холостого хода при работе на бензине и дизельном топливе.

Практическая ценность.

Разработанная методика, а также результаты расчетных исследований внедрены в учебный процесс УГАТУ (г. Уфа). Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно позволяют:

1. Повысить точность расчета распределения концентрации топлива в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым вое-

пламенением топливовоздушной струи и на этой основе прогнозировать облик камеры сгорания двигателя.

2. Расширить концентрационный диапазон устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси и на этой основе разрабатывать перспективные двигатели с качественным регулированием нагрузки.

3. Улучшать характеристики двухтактных и четырехтактных ПДВС при проектировании и доводке для удовлетворения требованиям экономичности и токсичности выбросов.

На защиту выносится:

1. Методика моделирования течения двухфазной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи.

2. Метод стабилизации концентрации топлива и скорости струи в области свечи зажигания, заключающийся в размещении соосно струе предкамеры. Использование предкамеры позволяет расширить диапазон устойчивого воспламенения топливовоздушного заряда в двигателе с непосредственным впрыском и искровым воспламенением до а » 5 - 6 при работе на бензине и дизельном топливе.

Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:

- применении признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, современного математического аппарата;

- корректном использовании фундаментальных уравнений механики жидкости и газа и теории рабочих процессов;

- сопоставлении результатов расчетов с данными экспериментов на реальных ПДВС в стендовых условиях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на V-й всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010), на всероссийских молодежных научных конференциях «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2009, 2010, 2011), на V-й и VI-й международных научно-практических конференциях STAR-2010 и STAR-2011 «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности» (г. Н.Новгород, 2010, 2011).

Личный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи работы сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 2007 по 2011 годы.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах, в том числе в 2 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, приложения и списка литературы. Содержит 168 страниц машинописного текста, включающего 166 рисунков, 14 таблиц и библиографический список из 90 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, связанной с разработкой методики моделирования течения двухфазной, сверхзвуковой, нестационарной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском, искровым воспламенением и качественным регулированием нагрузки, позволившей определить влияние различных факторов на условия воспламенения и на этой основе предложить техническое решение, обеспечивающее стабильное воспламенение различных топлив во всем диапазоне на-щузок. Формулируются цель и основные задачи исследования, приводятся выносимые на защиту положения и краткое содержание работы.

В первой главе рассмотрены современные рабочие процессы ПДВС с принудительным искровым воспламенением обедненных топливовоздушных смесей, в том числе рабочие процессы с расслоением заряда первого {Mitsubishi GDI, Toyota D4, VW FSI и т.д.), второго поколения {Mill DE 35 DaimlerChrysler) и перспективные рабочие процессы (BPI, унифицированный рабочий процесс). Анализ рабочих процессов позволил определить:

1. В двигателях с расслоением заряда и непосредственным впрыском топлива, в которых формирование смеси в районе искрового зазора реализуется за счет взаимодействия топливной струи со стенкой камеры сгорания или со специально организованным вихрем, максимальный коэффициент избытка воздуха не превышает 3,9.

2. В двигателях с расслоением заряда и непосредственным впрыском топлива, в которых формирование смеси в районе искрового зазора реализуется специальной организацией структуры топливовоздушной струи, снято ограничение на максимальный коэффициент избытка воздуха, но стабильность работы этих двигателей находится на низком уровне.

3. В современных системах непосредственного впрыска топлива с расслоением заряда свечу зажигания и форсунку конструктивно располагают как можно ближе друг к другу, минимизируя таким образом взаимодействие топливовоздушной струи с поверхностью поршня.

4. Стабильность воспламенения топливовоздушной струи существенно зависит от ряда факторов, таких как угол распыла, угол опережения впрыска топлива, давление и температура в камере сгорания.

5. Стабильный диапазон воспламенения топливовоздушной струи составляет не более 5 град, п.к.в.

Достижение качественного регулирования нагрузки возможно только если расширить диапазон устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси до среднего по камере сгорания а » 5 - 6. В современных двигателях с непосредственным впрыском это достигается за счет расположения искрового зазора в непосредственной близости от топливовоздушной струи, однако это приводит к низкой стабильности воспламенения. Это связано с высокими скоростями потока в районе искрового зазора, а также межцикловыми отклонениями в форме и параметрах струи. Для решения данных проблем предложено отдалить искровой зазор свечи зажигания от топливовоздушной струи, а

также уменьшить скорости потока в этом районе, при этом сохранив концентрацию паров топлива в районе искрового зазора в концентрационных пределах воспламенения. Реализовать это можно за счет использования предкамеры, в которой искровой зазор располагается рядом с соплом компрессор-форсунки (КФ). Принцип воздействия предкамеры на процесс смесеобразо-

Движущаяся через предкамеру топливовоздушная струя подсасывает окружающую ее среду, в результате чего образуется зона обратных токов, в которую увлекаются пары и капли топлива, а также воздух из камеры сгорания. Зона обратных токов, в которой располагается искровой промежуток, должна характеризоваться небольшими скоростями и турбулентными пульсациями. Предкамера также должна снизить влияние газодинамической обстановки в камере сгорания на концентрацию топлива вблизи искрового зазора и обеспечить широкий диапазон стабильного воспламенения топливо-воздушной струи вне зависимости от угла опережения впрыска. Выдвинута гипотеза, что в двигателе с УРП предкамера позволит стабилизировать концентрацию топлива и скорости потока в районе искрового зазора и расширить диапазон устойчивого воспламенения до среднего по камере сгорания а я 5 - 6. На рис. 2 представлена схема двигателя с УРП с предкамерой.

5 - поршень КФ; 6 - КФ; 7 - свеча зажигания; 8 - привод КФ от вала двигателя (условно); 9 - катушка системы зажигания; 10 - предкамера

Во второй главе дано описание разработанных моделей и методики моделирования течения двухфазной смеси в двигателе с УРН, приведены результаты численного исследования влияния на формирование концентрационных полей в районе искрового зазора таких факторов как длина предкамеры, угол опережения впрыска, давление в КФ, величина нагрузки в двигателе с УРП, а также влияния предкамеры на скорость течения в районе искрового зазора.

Двухфазная струя, образующаяся при выходе из КФ двигателя с УРП, является нерасчетной сверхзвуковой струей. Большую сложность при расчете данной струи представляет неизобарный участок, прямой, т.н. «сквозной», расчет которого в нестационарной постановке с использованием трехмерных моделей на современном уровне развития компьютерной техники является трудновыполнимой задачей. Целесообразно для расчета начального участка сверхзвуковой струи использовать одномерную теорию нерасчетной струи Г.Н. Абрамовича, тогда как остальную часть сверхзвуковой струи считать численным методом решения задач гидрогазодинамики. Методика моделирования течения сверхзвуковой струи в КС двигателя с УРП позволила совместить численный расчет пространственного течения на основе граничных условий, определяемых моделями сжатия топливовоздушной смеси в КС, течение в сопле КФ и течение в нерасчетной сверхзвуковой струе.

Методика моделирования течения сверхзвуковой струи в камере сгорания двигателя с УРП состоит из четырех этапов:

1) расчет сжатия топливовоздушной смеси (далее TBC) в КФ;

2) расчет течения TBC в сопле КФ;

3) расчет параметров изобарического сечения начального участка нерасчетной сверхзвуковой двухфазной струи;

4) численный расчет пространственного течения в камере сгорания по моделям методами вычислительной гидрогазодинамики.

На первом этапе идет расчет сжатия TBC в КФ. Условия в КФ таковы, что в конце сжатия давление существенно превышает критические значения компонентов, входящих в состав товарных топлив. Поэтому паровую фазу необходимо рассматривать не как смесь идеальных газов, а как реальный раствор. Жидкая фаза также рассматривается как реальный топливовоздуш-ный раствор, поскольку при больших давлениях растворение воздуха в топливе становится существенным. В работе используется уравнение состояния для нефтей и природных газов, предложенное Брусиловским А.И.:

к=1 а™

■р — __т__т_

У-Ьт (cm-da)(v + cm) {cm-dmW + dm)

Уравнение создавалось для давлений до 100 МПа и температур до 200°С. Оно обладает более высокой точностью моделирования и описания свойств тяжелых углеводородов при высоких давлениях, начиная с п-С9И20, по сравнению с уравнениями Редлиха-Квонга и Пенга-Робинсона. Сжатие двухфазной смеси описывается гомогенной равновесной моделью.

На втором этале идет расчет течения TBC в сопле КФ. Течение двухфазной смеси описывается в приближении гомогенной равновесной модели. В ее основе лежат следующие допущения: обе фазы находятся в тепловом и механическом равновесии (температуры, давления и скорости фаз равны); фазы равномерно распределены одна в другой. В качестве уравнения паро-жидкостного состояния также используется уравнение Брусиловского А.И. Для вычисления расхода смеси используется коэффициент расхода потока, для расчета параметров течения в канале после критического сечения учет потерь производится с помощью коэффициента скорости потока. Коэффициенты расхода и скорости потока определяются численным методом.

На третьем этапе проводится расчет параметров изобарического сечения начального участка сверхзвуковой двухфазной струи с использованием теории нерасчетной сверхзвуковой струи Абрамовича Г.Н. Как и на первых двух этапах TBC описывается гомогенной равновесной моделью. Особую сложность представляет сверхзвуковой неизобарический участок струи, условно называемый «бочкой», в котором присутствуют скачки уплотнения. При большой степени нерасчетности струи (N>5) потери в первой «бочке» настолько велики, что давление во второй «бочке» практически равно окружающему, и, следовательно, струя за первой «бочкой» становится изобарической, и последующие «бочки» можно не принимать во внимание. Поэтому с высокой степенью достоверности можно принять сечение с-с за изобарическое (рис. 3). Тогда параметры потока в изобарическом сечении струи определяются следующим образом:

Pg-Piz РЛ

+ w„

S,

_ РawaSa

Р ьЩ

где величины с индексом а, обозначают параметры на срезе сопла, с индексом гг - параметры потока в изобарическом сечении струи. Струя в данном сечении остается сверхзвуковой: переход через скорость звука возможен только в результате смешения с внешней средой, которое здесь не учитывается. Эксперименты с горячими нерасчетными сверхзвуковыми струями показывают, что район второй «бочки» характеризуется интенсивной турбулентностью. Пренебрегать смешением с внешней средой в этом районе, по-видимому, нельзя. В предлагаемой модели сечение с-с искусственно переносится в сечение и в допущении, что сечение п является изобарическим.

Рисунок 3 - Схема начального участка нерасчетной сверхзвуковой струи: 1 - висячий скачок, 2 - линия тока, d-d- диск Маха, d-n- отраженный скачок, agmnc - граница струи.

На четвертом этапе проводится расчет течения двухфазной струи в камере сгорания двигателя с УРП. В условиях поршневого ДВС расчет двухфазной струи проводится в рамках моделирования совокупности процессов, определяющих протекание внутрицилиндровых процессов, таких как впуск, сжатие, движение поршня и т.д. Данную задачу целесообразно решать с помощью пакетов прикладных программ, которые используют численный метод решения задач гидрогазодинамики, В качестве такого пакета выбран пакет Star-CD, Пакет Star-CD использует метод контрольного объема для решения дифференциальных уравнений в частных производных. В качестве основных уравнений сохранения используются уравнения Навье-Стокса. В качестве модели турбулентности используется модель к-е, рекомендуемая разработчиками пакета для расчета внутрицилиндровых процессов. В качестве теплофизических свойств воздуха (теплоемкость, теплопроводность, вязкость) использовались стандартные полиномы теплофизических свойств азота. Для определения плотности жидкости использовался метод Ганна и Яма-ды. При моделировании двухфазного течения использовался подход Лагран-жа. В качестве моделей межфазного взаимодействия (теплоперенос, массопе-ренос, перенос импульса, дробление капель) выбраны модели, рекомендуемые разработчиками пакета для моделирования внутрицилиндровых процессов. Расчет проводился в нестационарном режиме.

Моделирование течения сверхзвуковой струи в КС производилось для подтверждения гипотезы о возможности расширения диапазона устойчивого воспламенения в двигателе с УРП при помощи предкамеры, а также для получения зависимостей изменения концентрации топлива в районе искрового зазора в зависимости от таких величин как:

угол опережения впрыска топлива: 7,5°; 15°; 22,5°; 30°; 37,5°; длина предкамеры: 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 мм;

средний по камере сгорания коэффициент избытка воздуха: 1,2; 1 63,5; 4,8; 5,3;

давление впрыска: 13, 15,18, 20 МПа.

На рис. 4 показан пример результата расчета распределения паров топлива в КС двигателя с УРП во время впрыска (а = 1,2, угол опережения впрыска (далее УОВ) 22.5° до ВМТ).

Рисунок 4 - Распределение паров топлива в КС двигателя с УРП

На рис. 5а приведено изменение коэффициента избытка воздуха в районе искрового зазора в зависимости от УОВ; оптимальным УОВ при угле опережения зажигания (далее УОЗ) 10° до ВМТ являются 20° - 30° до ВМТ, вне зависимости от среднего по камере сгорания а. На рис. 56 приведено изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от длины предкамеры; коэффициент избытка воздуха в районе искрового зазора линейно зависит от длины предкамеры, оптимальной длиной предкамеры является диапазон от 10 до 14 мм. На рис. 6а приведено изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от давления в КФ. При среднем по камере сгорания коэффициенте избытка воздуха 6,0 (холостой ход), коэффициент избытка воздуха в районе искрового зазора не менялся от давления в КФ. При среднем по камере сгорания коэффициенте избытка воздуха 1,2 (нагрузка, близкая к полной), коэффициент избытка воздуха в районе искрового зазора существенно зависит от давления в КФ, с падением давления в КФ падает и коэффициент избытка воздуха. На рис. 66 приведена зависимость коэффициента избытка воздуха от нагрузки.

Расчет скоростей в районе искрового зазора с предкамерой показал, что скорость потока находится на уровне 7-10 м/с, что оптимально для искрового воспламенения.

11 '-2 1

1

птй.О >03 0 гр*А ■-с

УОЭОгсм.

-.---'

и опережения впрыска го

Длина предкамеры [мм] б)

Рисунок 5 - Изменение коэффициента избытка воздуха в районе искрового зазора

а) зависимость от УОВ (длина предкамеры 10мм, давление в КФ 200 атм.);

б) зависимости от длины предкамеры (УОВ 15°, давление в КФ 200 атм,).

N

'V

1 2 з

Средний по намяр*? сгорании хоэффицу

б)

Рисунок 6 - Изменение коэффициента избытка воздуха в районе искрового зазора: а) зависимость давления в КФ; б) зависимость от нагрузки. Длина предкамеры 10мм, УОВ 30° до ВМТ.

Таким образом, моделирование подтвердило эффективность предкамеры для стабилизации концентрации топлива и скорости потока на периферии струи для надежного воспламенения в диапазоне средних по камере сгорания коэффициентов избытка воздуха от 1,0 до 5 - 6. Определены оптимальные значения геометрических параметров предкамеры, давления и угла опережения впрыска.

В третьей главе дается описание принципиальных особенностей двигателя с унифицированным рабочим процессом, приводятся характеристики экспериментального двигателя, описывается измерительная аппаратура. Параметры топливоподачи и геометрия предкамеры определены с помощью разработанной методики.

Двигатель с УРП изготовлен на базе секции четырёхтактного дизельного двигателя Д65Н путем замены стандартной топливной аппаратуры на специальную двухступенчатую КФ. Исходя из требований к унифицированному рабочему процессу, разработана оригинальная свеча зажигания. В экспериментах использовалась бесконтактная система зажигания с накоплением энергии в индуктивности. Изменена камера сгорания, в которой степень сжатия снижена с 17,3 до 12,5. Двигатель с УРП оснащен системами регулирования угла опережения впрыска топлива и угла опережения зажигания. Для замера состава отработавших газов использовался газоанализатор Infralight -IIP. Для торможения двигателя использовался испытательный стенд AVL DINO perform. Для индицирования использовалась система экспериментального анализа фирмы A VL. Фото двигателя представлено на рис. 7.

Рисунок 7 - Общий вид двигателя Д-65Н с экспериментальной системой топливоподачи и воспламенения

В четвертой главе приведены результаты безмоторных и моторных экспериментов, показавшие возможность расширения диапазона устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе с УРП при использовании предкамеры, приводится сравнение расчетных и экспериментальных данных. Эксперименты показали адекватность разработанной методики моделирования течения двухфазной, сверхзвуковой, нестационарной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском, искровым воспламенением и качественным регулированием нагрузки.

Безмоторные эксперименты проводились в атмосферных условиях на многоцикловом стенде. Параметры впрыска и геометрические параметры предкамеры, обеспечивающие требуемую для воспламенения концентрацию топлива в районе искрового зазора, определялись расчетом по разработанной методике. Результаты моделирования сверхзвуковой двухфазной струи представлены на рис. 8. Искровой зазор обозначен цифрой 1. В этой зоне расчетный коэффициент избытка воздуха составил а = 0,61; верхний концентрационный предел воспламенения дизельного топлива составляет а ~ 0,6.

Рисунок 8 - Расчет распределения концентрации дизельного топлива в предкамере Воспламенение (или невоспламенение) топливовоздушной струи фиксировалось скоростной цифровой видеокамерой. На рис. 9 представлен единичный цикл работы КФ, последний кадр зафиксировал воспламенение струи искровым разрядом. Эксперименты показали устойчивое, без перебоев, воспламенение струи с расчетными параметрами впрыска и предкамеры. Испытания КФ без предкамеры показали, что в этом случае воспламенение топливовоздушной струи невозможно.

Рисунок 9 - Воспламенение топливовоздушной струи В моторных экспериментах использовалась предкамера длиной 10 мм. В качестве топлива использовались дизельное топливо и бензин. УОЗ и УОВ подбирались для каждого эксперимента по критерию расхода топлива и мощности двигателя. Дросселирование воздуха не производилось.

На рис. 10 и 11 представлены примеры индикаторных диаграмм давления и скорости нарастания давления в камере сгорания для дизельного топлива и бензина. Диаграммы осреднены по 50 циклам. Частота вращения коленчатого вала 700 об/мин. На всех режимах работы двигателя предкамера

длиной 10мм позволила расширить диапазон устойчивого воспламенения до среднего по камере сгорания коэффициента избытка воздуха, равного 5-6.

1.2 1

т 0,8

2 о,б

1* 0,4 I 0,2

\

\

\

/ \

/ ч ч

о

/ Л,

/ \

V

6 5 4

3 |

1

Угол ПКВ {град]

Угол ПКВ [град]

а) 6)

Рисунок 10 - Экспериментальная диаграмма изменения давления Р и скорости нарастания давления с!Р/аУ в зависимости от угла поворота коленчатого вала, дизельное топливо: а) а к 1; УОВ 30 град., УОЗ 0 град.; б) а « 5,3; УОВ 15 град., УОЗ 10 град.

Л

\

\

\

/ 1 \

и

Угол ПКВ [град]

Угол ПКВ [град]

а) б)

Рисунок 11 - Экспериментальная диаграмма изменения давления Р и скорости нарастания давления с!РМ/в зависимости от угла поворота коленчатого вала, бензин: а) а и 0,9; УОВ 30 град., УОЗ 10 град.; б) а я 7,0; УОВ 30 град., УОЗ 5 град.

На рис. 12 представлены зависимости удельного индикаторного расхода топлива и среднего индикаторного давления от среднего по камере сгорания коэффициента избытка воздуха для дизельного топлива и бензина. Частота вращения коленчатого вала составляла 700 об/мин.

41Х) V

Л. 4 У /

И /

150 ■*.....

| 450 | 400

1 300

I Г

! I 250

г- /

\ V /

\

\ /

«

—1—

Средний по кам#ре сгорания коэффициент тбытка воздуха

Средний па камере сгорания коэффициент избытка «о)ду*э б)

Рисунок 12 - Удельный индикаторный расход топлива (р) и среднее индикаторное давление (Л") двигателя с УРП с предкамерой при работе на дизельном топливе а) и бензине б)

Аналогичные эксперименты на частотах вращения коленчатого вала двигателя 1200 об/мин и 1700 об/мин на режимах холостого хода и частичных нагрузок также показали, что предкамера позволяет расширить диапазон устойчивого воспламенения до значений средних по камере сгорания коэффициентов избытка воздуха от 1,0 до 5 - 6. Таким образом, экспериментальное исследование показало, что предкамера позволяет расширить диапазон принудительного воспламенения в двигателе с УРП до значений коэффициентов избытка воздуха, соответствующих полноценному качественному регулированию вне зависимости от нагрузки и частоты вращения вала.

Расчетные данные сравнивались с экспериментом при работе на дизельном топливе на частоте вращения коленчатого вала 700 об/мин. Сравнение с экспериментом проводилось по косвенному признаку: если двигатель работал стабильно, делался вывод, что в районе искрового зазора концентрация тошшва находится в концентрационных пределах воспламенения (а и 0,6 -1,5). Такие параметры, как угол опережения впрыска, частота вращения коленчатого вала, цикловая доза топлива и т.д., принимались одинаковыми как в моторном, так и в численном эксперименте. Моторные эксперименты и расчеты проводились с предкамерами длиной 8, 10, 12 и 14 мм. На рис. 13 в качестве примера представлено расчетное изменение коэффициента избытка воздуха в районе искрового зазора в зависимости от угла поворота вала на разных нагрузочных режимах (средний по камере сгорания коэффициент избытка воздуха варьировался в диапазоне 1,4 - 5,3) при длине предкамеры 10 мм. Расчетная концентрация топлива в районе искрового зазора при УОЗ 10° до ВМТ находится в концентрационных пределах воспламенения; результаты моторного эксперимента, приведенные выше, подтвердили это.

с

О 10 20 УголПКВ [град]

Рисунок 13 - Изменение коэффициента избытка воздуха в районе искрового зазора в зависимости от угла поворота коленчатого вала для разных нагрузок, длина предкамеры- 10 мм (1 -а = 5,3; УОВ 15°; 2 - а = 4,7; УОВ 15°; 3 - а = 3,5; УОВ 30°; 4 - а = 1,4; УОВ 30°; 5 - а = 1,8; УОВ 30°)

Двигатель с предкамерами 8, 12 и 14 мм работал нестабильно. В таблице условно показана стабильность работы двигателя. Знаком «+» отмечены режимы со стабильной работой двигателя, знаком «-» отмечены режимы, на

которых двигатель не работал, знаком «+-» отмечены режимы, на которых двигатель работал с перебоями. Как видно из таблицы, с предкамерой длиной 12 мм двигатель работал стабильно только при а и 4,7 - 6,0. С предкамерой длиной 14 мм двигатель работал с перебоями на а » 4,7 - 6,0, при а « 0,8 - 3,5 двигатель не работал. На рис. 14 представлена расчетная зависимость коэффициента избытка воздуха в районе искрового зазора от длины предкамеры на разных нагрузочных режимах. Пределы воспламеняемости топлива принимались равными 0,6 - 1,5. Из 17 расчетных точек экспериментом подтвердились 13 точек, что составляет 76%.

Таблица

Стабильность работы в зависимости от длины предкамеры и нагрузки

Нагрузка (средний по КС коэффициент избытка воздуха) Длина предкамеры

8 мм 10 мм 12 мм 14 мм

0,8 + - _

1,0 + — _

1,4 + _ _

1,8 + _ —

3,2 + + - _

3,5 + + - _

4,7 + - + + + -

5,3 + - + + + -

6,0 + - + + + -

2,50

1а

М о

1 е

и

0,50

0,00

2' >\Х

4—' 1

6,00

14,00

16,00

8,00 10,00 12,00 Длина предкамеры [мм]

Рисунок 14 - Расчетная зависимость коэффициента избытка воздуха в районе искрового зазора от длины предкамеры для разных нагрузок (1 - а = 5,3; 2 - а = 4,7; 3 - а = 3,5;

4 - а = 1,4; 5-а - 1,8)

Таким образом, моторный эксперимент подтвердил возможность расширения диапазона устойчивого воспламенения в двигателе с УРП при использовании предкамеры; сравнение расчетных и-экспериментальных данных подтвердило возможность разработанной методики прогнозировать облик камеры сгорания и системы топливоподачи для реализации в двигателе с УРП полноценного качественного регулирования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты выполненного исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Обоснована, сформулирована и реализована методика моделирования течения двухфазной, сверхзвуковой, нестационарной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском, искровым воспламенением и качественным регулированием нагрузки. В основу методики положены расчет сжатия топливовоздушной смеси в компрессор-форсунке, расчет течения топливовоздушной смеси в сопле компрессор-форсунки, расчет параметров изобарического сечения начального участка нерасчетной сверхзвуковой двухфазной струи, численный расчет пространственного течения в камере сгорания по моделям методами вычислительной гидродинамики.

2. Произведен расчет камеры сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом с целью создания оптимальных условий в области свечи зажигания для воспламенения топливовоздушной струи в диапазоне значений среднего по объему камеры сгорания коэффициента избытка воздуха от а«1доос»5 — 6. Установлено влияние различных факторов на условия воспламенения, и на этой основе предложено техническое решение, обеспечивающее стабильное воспламенение различных топлив во всем диапазоне нагрузок.

3. Экспериментально подтверждена эффективность прогнозных технических решений исполнения камеры сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом, направленных на стабилизацию необходимого коэффициента избытка воздуха и скорости струи в области свечи зажигания и реализацию качественного ре1улирования в диапазоне нагрузок от полной до холостого хода при работе двигателя на бензине и дизельном топливе. Таким образом, предложенная методика моделирования течения двухфазной, сверхзвуковой, нестационарной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском, искровым воспламенением и качественным регулированием нагрузки прошла проверку практикой на реальном двигателе указанного класса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК:

1.Гарипов К.Н. Искровое воспламенение в условиях глубокого расслоения топливовоздушного заряда в рабочей камере ДВС/ К.Н. Гарипов, М. Д. Гарипов, А.Г. Хафизов // Вестник УГАТУ, Научный журнал Уфимского государственного авиационного технического университета. 2007. Т.9, №6 (24).-с. 114-120.

2. Гарипов К.Н. Экспериментальное исследование влияния степени обводненности спиртового топлива на характеристики ДВС с унифицированным рабочим процессом. / К.Н. Гарипов, М.Д. Гарипов, Р.Ю. Сакулин // Вестник УГАТУ, Научный журнал Уфимского государственного авиационного технического университета. 2010. Т.14, №2 (37). - с. 7 —12.

В других изданиях, включая труды Всероссийских и международных НТК:

3. Гарипов К.Н. Исследование распространения нестационарных топ-ливовоздушных струй в предкамере двигателя с унифицированным рабочим процессом/ К.Н. Гарипов //Мавшотовские чтения: Материалы конференции. Уфа, УГАТУ. 2008. Т.1. с. 54.

4. Гарипов К.Н. Влияние параметров топливоподачи на формирование топливовоздушной струи в двигателе с унифицированным рабочим процессом/ К.Н. Гарипов //Мавлютовские чтения: Материалы конференции. Уфа, УГАТУ. 2009. Т.1. с. 114-115.

5. Гарипов К.Н. Исследование смесеобразования в камере сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом в среде Star-CD/ К.Н. Гарипов //Мавлютовские чтения: Материалы конференции. Уфа, УГАТУ. 2010. Т.1. с. 71-72.

6. Гарипов К.Н. Исследование смесеобразования в камере сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом/ К.Н. Гарипов, Р.Ф. Зин-натуллин //: Актуальные проблемы науки и техники: Сборник трудов пятой всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых учёных. УГАТУ. 2011. Том 4, «Машиностроение, электроника, приборостроение» - с. 71-74.

7. Гарипов К.Н. Расчет сверхзвуковой двухфазной струи в камере сгорания поршневого ДВС/ К.Н. Гарипов // Мавлютовские чтения: Материалы российской научно-технической конференции. УГАТУ. 2011. Т. 1. с. 50-51.

8. Гарипов К.Н. Исследование смесеобразования в предкамере двигателя с унифицированным рабочим процессом/ К.Н. Гарипов, Р.Ф. Зиннатуллин, Р.Д. Еникеев, М.Д. Гарипов // Мавлютовские чтения: Материалы российской научно-технической конференции. Уфа, УГАТУ. 2011. Т.2. с. 34-38.

Диссертант К.Н. Гарипов

ГАРИПОВ Кирилл Назифович

РАСШИРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННОГО ДИАПАЗОНА УСТОЙЧИВОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ДВИГАТЕЛЕ С УНИФИЦИРОВАННЫМ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ

Специальность 05.04.02 -Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 09.02.2012. Формат 60х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 546.

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полшрафии 45000, Уфа - центр, ул. К.Маркса, 12.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

Основные сокращения.

Обозначения физических величин.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ .ЛЗ

1.1 Введение.

1.2 Анализ современных рабочих процессов поршневых ДВС с расслоением заряда и непосредственным впрыском топлива.

1.2.1 Рабочий процесс с расслоением заряда, реализуемым посредством взаимодействия топливной струи со стенкой камеры сгорания.

1.2.2 Рабочий процесс ПДВС с расслоением заряда, реализуемым посредством взаимодействия топливной струи со специально организованным вихрем.

1.2.3 Рабочий процесс ПДВС с расслоением заряда, с искровым разрядом вблизи границы струи.

1.2.4 Рабочий процесс Г31.

1.2.5 Рабочий процесс ВР1.

1.2.6 Унифицированный рабочий процесс.

1.3 Выводы по главе. Формулировка гипотезы, постановка цели и задач

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПОЛЕЙ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ С УНИФИЦИРОВАННЫМ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ.

2.1 Введение.

2.2 Математическое моделирование пространственного течения рабочего тела в КС ПДВС.

2.2.1 Основные уравнения сохранения.

2.2.2 Модели турбулентности.

2.3 Математическая модель рабочего процесса компрессор-форсунки.

2.3.1 Уравнение состояния.

2.3.2 Математическая модель парожидкостного равновесия в рабочей камере компрессор-форсунки.

2.3.3 Скорость звука двухфазной смеси.

2.3.4 Математическая модель течения двухфазной смеси в сопле компрессор-форсунки при сверхкритическом перепаде давления.

2.3.5 Математическая модель расчета параметров в изобарическом сечении начального участка нерасчетной сверхзвуковой двухфазной струи.

2.4 Методика моделирования течения сверхзвуковой струи в камере сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом.

2.5 Трехмерный расчет течения в камере сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом.

2.6 Оценка возможности прямого расчета сверхзвуковой струи в двигателе с УРП с использованием численного метода решения задач гидрогазодинамики.

2.6.1 Постановка задачи.

2.6.2 Методика исследования.

2.6.3 Результаты исследования.

2.7 Оценка погрешности методики моделирования течения сверхзвуковой нерасчетной струи в КС двигателя с УРП.

2.7.1 Постановка задачи.

2.7.2 Методика проведения расчетов.

2.7.3 Результаты расчетов.

2.8 Результаты численного исследования.

2.8.1 Расчет коэффициента расхода и коэффициента скорости струи в сопле КФ.

2.8.2 Влияние предкамеры на формирование концентрационных полей паров топлива в районе искрового разряда.

2.8.3 Расчет скоростей потока в районе искрового разряда в предкамере двигателя с УРП.

2.8.4 Результаты моделирования течения сверхзвуковой струи в КС и предкамере двигателя с УРП.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТИ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В УНИФИЦИРОВАННОМ РАБОЧЕМ ПРОЦЕССЕ.

3.1 Описание экспериментального двигателя.

3.2 Измерительная аппаратура.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТИ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В УНИФИЦИРОВАННОМ РАБОЧЕМ ПРОЦЕССЕ.

4.1 Введение.

4.2 Методика экспериментального исследования на полноразмерном двигателе.

4.3 Результаты испытаний двигателя на дизельном топливе.

4.4 Результаты испытания двигателя и с использованием бензина.

4.5 Безмоторный эксперимент.

4.5.1 Методика и результаты численного моделирования.

4.5.2 Методика проведения эксперимента.

4.5.3 Результаты экспериментального исследования на безмоторном стенде.

4.6 Сравнение расчетных и экспериментальных данных.

4.6.1 Оценка пределов воспламеняемости дизельного топлива.

4.6.2 Результаты расчетов.

ВЫВОДЫ.

Актуальность работы.

Топливная экономичность является ключевым показателем качества поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС), определяющим уровень их эффективных и экологических показателей. Одним из наиболее перспективных способов повышения топливной экономичности и снижения токсичности выбросов ПДВС с искровым воспламенением является переход на качественное регулирование нагрузки. Усилия многих лабораторий повсюду в мире направлены на решение этой проблемы. К настоящему времени достигнута стабильная работа двигателей с коэффициентом избытка воздуха на уровне 3 - 3,5, что не достаточно для качественного регулирования во всем диапазоне нагрузок.

На кафедре ДВС Уфимского государственного авиационного технического университета в течение ряда лет разрабатывается новый рабочий процесс, обеспечивающий бездетонационное сгорание бензинов, дизельного топлива, спиртов и их смесей с водой в условиях высоких степеней сжатия с качественным регулированием нагрузки. Рабочий процесс базируется на впрыске в камеру сгорания топливовоздушной струи и ее воспламенении свечей зажигания на периферии топливовоздушного факела. Этот процесс получил наименование унифицированного рабочего процесса (УРП). Обеспечение стабильных (по концентрации топлива и газодинамическому состоянию заряда) условий воспламенения является условием реализации процесса. К настоящему времени двигатель с УРП способен работать с максимальным коэффициентом избытка воздуха на уровне 3,5.

В настоящем исследовании предложена и реализована быстросчетпая методика моделирования течения двухфазной струи для расчета концентрационных полей в камере сгорания ПДВС, позволившая определить влияние различных факторов на условия воспламенения топливовоздушной струи и па этой основе предложить техническое решение, обеспечивающее стабильное воспламенение различных топлив во всем диапазоне нагрузок в условиях качественного регулирования нагрузки. Актуальность настоящего исследования определяется тем, что методика моделирования делает возможным на ранних этапах проектирования получение точных и надежных прогнозов облика камеры сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи для реализации в нем качественного регулирования нагрузки от а « 1 до а ~ 5 — 6.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является расширение концентрационного диапазона устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи для обеспечения качественного регулирования в диапазоне нагрузок от полной до холостого хода.

В соответствии с целью формулировались задачи исследования:

1. Обосновать и разработать методику моделирования течения двухфазной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи.

2. Используя методику моделирования течения двухфазной струи, рассчитать камеру сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом с целью создания оптимальных условий в области свечи зажигания для воспламенения топливовоздушной струи в диапазоне значений среднего по объему камеры сгорания коэффициента избытка воздуха от а и 1 до а ~ 5 — 6.

3. Экспериментально подтвердить эффективность прогнозных технических решений по исполнению камеры сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом, направленных на стабилизацию необходимого коэффициента избытка воздуха и скорости струи в области свечи зажигания и реализацию качественного регулирования в диапазоне нагрузок от полной до холостого хода при работе двигателя на бензине и дизельном топливе.

Методы исследования. При выполнении работы использованы следующие методы исследования:

- методы математического моделирования процессов в сложных технических системах, включая методы численного решения систем обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных;

- экспериментальные исследования на полноразмерных ПДВС;

Исследование носило расчетно-экспериментальный характер. Математические модели процессов течения двухфазной струи в камере сгорания ПДВС проверялись на достоверность сравнением прогнозируемых показателей с экспериментальными данными, полученными на полноразмерном ДВС.

Научная новизна.

1. Разработана методика моделирования течения двухфазной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением, позволяющая рассчитывать течение двухфазных сверхзвуковых струй.

2. Выявлены закономерности влияния геометрии камеры сгорания, углов опережения впрыска и зажигания, цикловой дозы топлива, среднего по объему камеры сгорания гопливовоздушного соотношения и иных параметров на воспламеняемость тогшивовоздушной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением.

3. Предложен метод стабилизации концентрации топлива и скорости струи в области свечи зажигания, заключающийся в размещении сооспо струе предкамеры, что позволило впервые в двигателях с искровым воспламенением реализовать устойчивое воспламенение топливовоздушной смеси и качественное регулирование нагрузки в диапазоне от полной до холостого хода при работе на бензине и дизельном топливе.

Практическая ценность. Разработанная методика, а также результаты расчетных исследований внедрены в учебный процесс УГАТУ (г. Уфа). Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно позволяют:

1. Повысить точность расчета распределения концентрации топлива в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воепламенением топливовоздушной струи и на этой основе прогнозировать облик камеры сгорания двигателя.

2. Расширить концентрационный диапазон устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси и на этой основе разрабатывать перспективные двигатели с качественным регулированием нагрузки.

3. Улучшать характеристики двухтактных и четырехтактных Г1ДВС при проектировании и доводке для удовлетворения требованиям экономичности и токсичности выбросов.

На защиту выносится:

1. Методика моделирования течения двухфазной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском и искровым воспламенением топливовоздушной струи.

2. Метод стабилизации концентрации топлива и скорости струи в области свечи зажигания, заключающийся в размещении соосно струе предкамеры. Использование предкамеры позволяет расширить диапазон устойчивого воспламенения топливовоздушного заряда в двигателе с непосредственным впрыском и искровым воспламенением до а ~ 5 — 6 при работе на бензине и дизельном топливе.

Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:

- применении признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, современного математического аппарата;

- корректном использовании фундаментальных уравнений механики жидкости и газа и теории рабочих процессов;

- сопоставлении результатов расчетов с данными экспериментов на реальных ПДВС в стендовых условиях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на У-й всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010), на всероссийских молодежных научных конференциях «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2009, 2010, 2011), на У-й и У1-Й международных научно-практических конференциях БТАЯ-2010 и БТАЯ-2011 «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности» (г. Н.Новгород, 2010, 2011).

Личный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи работы сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 2007 по 2011 годы.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах, в том числе в 2 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, приложения и списка литературы. Содержит 168 страниц машинописного текста, включающего 166 рисунков, 12 таблиц и библиографический список из 90 наименований.

выводы

Результаты выполненного исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Обоснована, сформулирована и реализована методика моделирования течения двухфазной, сверхзвуковой, нестационарной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском, искровым воспламенением и качественным регулированием нагрузки. В основу методики положены расчет сжатия топливовоздушной смеси в компрессор-форсунке, расчет течения топливо-воздушной смеси в сопле компрессор-форсунки, расчет параметров изобарического сечения начального участка нерасчетной сверхзвуковой двухфазной струи, численный расчет пространственного течения в камере сгорания по моделям методами вычислительной гидродинамики.

2. Произведен расчет камеры сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом с целью создания оптимальных условий в области свсчи зажигания для воспламенения топливовоздушной струи в диапазоне значений среднего по объему камеры сгорания коэффициента избытка воздуха от а ~ 1 до а и 5 - 6. Установлено влияние различных факторов на условия воспламенения, и на этой основе предложено техническое решение, обеспечивающее стабильное воспламенение различных топлив во всем диапазоне нагрузок.

3. Экспериментально подтверждена эффективность прогнозных технических решений исполнения камеры сгорания двигателя с унифицированным рабочим процессом, направленных на стабилизацию необходимого коэффициента избытка воздуха и скорости струи в области свечи зажигания и реализацию качественного регулирования в диапазоне нагрузок от полной до холостого хода при работе двигателя на бензине и дизельном топливе. Таким образом, предложенная методика моделирования течения двухфазной, сверхзвуковой, нестационарной струи в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском, искровым воспламенением и качественным регулированием нагрузки прошла проверку практикой на реальном двигателе указанного класса.

1. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч. 1: Учеб. руководство: Для втузов — 5-е изд., перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит, 1991. - 600 с.

2. Борисов А.О., Гарипов М.Д., Еникеев Р.Д., Черноусов A.A. Рабочий процесс многотопливного поршневого двигателя; Под редакцией Р.Д. Еникеева. — Уфа: Дизайнполиграфсервис, 2007. 241 с.

3. Бретшнайдер Ст. Свойства жидкостей и газов. — M.-JL: Химия, 1966. -536с.

4. Брусиловский А.И. Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа. А.И. Брусиловский. — М.: «Грааль», 2002 575 с.

5. Гарипов К.Н., Гарипов М. Д, Хафизов А.Г. Искровое воспламенение в условиях глубокого расслоения топливовоздушного заряда в рабочей камере ДВС/ К.Н. Гарипов, М. Д. Гарипов, А.Г. Хафизов // Вестник УГАТУ. 2007. Т.9, №6 (24). с. 114 - 120.

6. Гарипов М.Д. Унифицированный рабочий процесс поршневых ДВС: Дис. канд. техн. наук. — Уфа, 2004. — 105 с.

7. Гарипов, М.Д., Еникеев Р.Д., Сакулин Р. Ю. Рабочие процессы и конструирование двигателей, работающих на биотопливах: учебное пособие — Уфимский государственный авиационный технический университет Уфа: УГАТУ, 2008. - 107 с.

8. Гарипов М.Д., Сакулин Р.Ю. Влияние степени сжатия и способа регулирования нагрузки на эффективные показатели поршневых ДВС/

9. М.Д. Гарипов, Р.Ю. Саккулин // Ползуновский вестник. 2006, №4. с. 54-57.

10. Гужов А.И., Медведев В.Ф. Исследование истечения газожидкостпой смеси через цилиндрические насадки при критических парамет-рах//Теплоэнергетика. 1966. №8. С. 81-83.

11. Гужов А.И., Медведев В.Ф. Некоторые особенности истечения газожидкостной смеси через цилиндрические насад-ки//Теплоэнергетика. 1966. №11. — С.68-70.

12. Еникеев Р.Д., Гарипов М. Д. Рабочий процесс перспективного поршневого ДВС/ Р.Д. Еникеев, М. Д. Гарипов // Вестник УГАТУ. 2006. Т.7, №3. с. 12-22.

13. Молчанов A.M. Расчет сверхзвуковых неизобарических струй с поправками на сжимаемость в модели турбулентности // Вестник МАИ.Т.16.№1. — с. 38-48.

14. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие/ Пер. с англ. Под ред. Б.И. Соколова.-З-е изд., пере-раб. и доп. -JI. :Химия, 1982, ил. Нью-Йорк, 1977. -592 с.

15. Рудой Б.П. Концепция развития поршневых двигателей внутреннего сгорания // Вестник УГАТУ. 2004. Т.5, №1(9). с. 3 - 9.

16. Стечкин Б. С. Избранные труды: Теория тепловых двигателей/ Б. С. Стечкин. -М.: Физматлит, 2001. -432 с.

17. Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки. М.: Атомиздат, 1978,- 160 с.

18. Черноусов, A.A. Основы численного моделирования рабочих процессов тепловых двигателей: учеб. пособие / A.A. Черноусов; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2008. - 264 с.

19. Юн. A.A. Теория и практика моделирования турбулентных течений с теплообменом, смешением, химическими реакциями и двухфазных течений. A.A. Юн. М., 2009. - 273с.

20. Arcoumanis C., Badani M., Flora H. Gavaises M., «Cavitation in Real-Size Multi-Hole Diesel Injector Nozzles», SAE Paper 2000-01-1249, 2000.

21. Arcoumanis C., Gavaises M, Nouri J.M., Abdul-Wahab E., Horrocks, R., «Analysis of the Flow in the Nozzle of a Vertical Multi-Hole Diesel Engine Injector», SAE Paper 980811, 1998. 15p.

22. Arcoumanis C., Kamimoto T., «Flow and combustion in reciprocating engines», Springer-Verlag, Berlin, Allemagne 2009. —42Op.

23. Catalano P., and Amato M., «An evaluation of RANS turbulence modelling for aerodynamic applications», Aerospace Science and Technology, 7, 2003. -p. 493-509.

24. Chauveau C., Davidenko D.M., Sarh B., Gokalp I., Avrashkov V, Fabre C. «PIV Measurements in an Under expanded Hot Free Jet. 13 th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics». Lisbon, Portugal, 26-29 June, 2006. Paper # 1161. 12 p.

25. Dahlander, P., Lindgren, R., Denbratt, I., «High-Speed Photography and Phase Doppler Anemometry Measurements of Flash-Boiling Multihole Injector Sprays for Spray-Guided Gasoline Direct Injection», Paper ICLASS06-0112, ICLASS, Kyoto, Japan, 2006. -16p.

26. Dahlander P., Annual Report, Combustion Engine Research Centre, Chalmers University of Technology, Gothenburg, 2006. — 56 p.

27. Dou D., Miyaura S., Dogahara T., Kikuchi S. et al., «NOx-Trap Catalyst Development for Mitsubishi 1.8L GDI™ Application», SAE Technical Paper 2003-01-3078, 2003.

28. El Tahry S.H., «k-e equation for compressible reciprocating engine flows», AIAA, J. Energy, 7(4), pp. 345-353, 1983.

29. Iwamoto Y., Noma K, Nakayama O., Yamauchi T., Ando II., «Development of Gasoline Direct Injection Engine», SAE Transaction, Paper 970541, 1997.-17p.

30. Kanda M., Baika T., Kato S., Iwamuro M., Koike M., Sito A., «Application of a New Combustion Concept to direct injection gasoline engine», SAE Paper 2000-01-0531, 2000. -8p.

31. Kee R. J., Rupley F. M. and Miller, J. A.: «The CHEMKIN Thermodynamic Data Base», Sandia National Laboratories Report SAND87-8215B (1990).

32. Kee R. J., Rupley F. M., Meeks E., and Miller J. A.: «CHEMKIN-IIP. A Fortran Chemical Kinetics Package For The Analysis Of Gasphase Chemical And Plasma Kinetics», Sandia National Laboratories Report SAND96-8216 Printed May 1996. -164 p.

33. Kettner M., Fischer J., Nauwerck A., Tribulowski J. et al., «The BPI Flame Jet Concept to Improve the Inflammation of Lean Burn Mixtures in Spark Ignited Engines», SAE Technical Paper 2004-01-0035, 2004.

34. Krebs R., Stiebeis B., SperlingH., «Das Kraftstoffsystem des „Lupo FSI"» von Volkswagen Symposium «Entwicklungstendenzen bei Ottomotoren», Technische Akademie Esslingen 2000.

35. Krebs R., Stiebeis B., Spiegel L., Pott E., «Das Emissionskonzept des Volkswagen Lupo FSI», V. Tagung „Motorische Verbrennung", Haus der Technik e. V. Essen 2001.

36. Krebs R., Stiebeis B., Spiegel L., Pott E., «FSI-Ottomotor mit Direkteinspritzung im Volkswagen Lupo», 21 Internationales Wiener Motorensymposium, 2000.

37. Krebs R., Pott E., Kreuzer T., Göbel U. et al., «Exhaust Gas Aftertreat-ment of Volkswagen FSI Fuel Stratified Injection Engines», SAE Technical Paper 2002-01-0346, 2002.

38. Krebs R., Pott E., Stiebeis B., «Die Abgasnachbehandlung für FSI-Motoren» von Volkswagen Symposium «Entwicklungstendenzen bei Ottomotoren», Technische Akademie Esslingen 2000.

39. Krebs R., Theobald J., «Die Thermodynamik der FSI-Motoren von Volkswagen», 22 Internationales Wiener Motorensymposium 2001.

40. Kume T., Iwamoto Y., «Combustion Control Technologies for Direct Injection SI Engine», SAE-Paper 960600. -14 p.

41. Kuwahara K., Watanabe T., Tanada H., Ueda K. et al., «Intake-Port Design for Mitsubishi GDI Engine to Realize Distinctive In-Cylinder Flow and High Charge Coefficient», SAE Technical Paper 2000-01-2801, 2000. 10 p.

42. Launder B.E., and Sandham N.D. (Eds.), «Closure Strategies for Turbulent and Transitional Flows», Cambridge University Press, 2002.

43. Launder B.E., and Spalding D.B., «The numerical computation of turbulent flows», Comp. Meth. in Appl. Mech. and Eng., 3, pp. 269-289, 1974.

44. Marchi A., Nouri J.M., Yan Y., Arcoumanis C., «Internal Flow and Spray Characteristics of Pintle-type Outwards Opening Piezo Injectors for Gasoline Direct-Injection Engines», SAE Paper 2007-01-1406, 2007.

45. Marchi A., «Internal Flow and Spray Characteristics of the Pintle Type Piezo Injector», PhD Thesis in preparation, School of Engineering and Mathematical Sciences, City University, London, 2008.

46. Martin Weinrotter, «Laser Ignition of Internal Combustion Engines», Grin Verlag, 2006. 172 p.

47. Menter F.R., «Zonal two equation k-co turbulence models for aerodynamic flows», Proc. 24th Fluid Dynamics Confl, Orlando, Florida, USA, 6-9 July, Paper No. AIAA 93-2906, J993.

48. Methodology STAR-CD Version 4.14. CD-adapco, 2010 - 390 p.

49. Mitroglou N., ' «Multihole Injectors for Direct-Injection Gasoline Engines», PhD Thesis, School of Engineering and Mathematical Sciences, City University, London, 2006.

50. Mitroglou N., Nouri J.M., Yan Y., Gavaises M., Arcoumanis C., «Spray Structure Generated by Multi-Hole Injectors for Gasoline Direct-Injection Engines», SAE Technical Paper Series, 2007-01-1417, 2007.

51. Mitroglou N., Nouri J.M., Gavaises M, Arcoumanis C., «Spray Characteristics of a Multi-Hole Injector for Direct-Injection Gasoline Engines», Int. J. Eng. Res., 7, No.3, 255-270, 2006.

52. Morris S., «The Evaluation of Performance Enhancing Fluids and the Development of Measurement and Evaluation Techniques in the Mitsubishi G-DI Engine», SAE Technical Paper 1999-01-1496, 1999.

53. Nishigaya M., Tamura T., Yasue H., Kasuga S. et al., «Development of Toyota's New "Super CVT"», SAE Technical Paper 2001-01-0872, 2001.

54. Norris L.H., and Reynolds W.C., «Turbulent channel flow with a moving wavy boundary», Report No. FM—10, Department of Mechanical Engineering, Stanford University, USA, 1975.

55. Nouri J.M., Mitroglou N., Yan Y., Arcoumanis C., «Internal Flow and Cavitation in a Multi-Hole Injector for Gasoline Direct-Injection Engines», SAE Technical Paper Series, 2007-01-1405, 2007.

56. Okada Y., Inokuchi I., and Yanagisawa, M., «Development of a High-Pressure Fueling System for a Direct-Injection Gasoline Engine», SAE Technical Paper 981458, 1998.

57. Papoulias D., Giannadakis E., Mitroglou N., Gavaises M., «Cavitation in Fuel Injection Systems for Spray-Guided Direct Injection Gasoline Engines», SAE Paper 2007-01-1418, 2007.

58. Pope S.B., «Turbulent Flows», Cambridge University Press. — 773 p.

59. Reynolds W.C., «Computation of turbulent jlows», Ann. Rev. Fluid Mech., 8, pp. 183-208, 1976.

60. Richard van Basshuysen (Hrsg.). «Ottomotor mit Direkteinspritzung». Verfahren, Systeme, Entwicklung, Potenzial. Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWVFachverlage GmbH, Wiesbaden 2007. — 445 p.

61. Rodi W., «Influence of buoyancy and rotation on equations for the turbulent length scale», Proc. 2nd Symp. on Turbulent Shear Flows, 1979.

62. Rodi W., «Experience with two-layer models combining the k-r. model with a one-equation model near the wall», AIAA-91—0216, 1991.

63. Roth H., Gavaises M., Arcoumanis C., «Cavitation Initiative, its Development and Link with Flow Turbulence in Diesel Injector Nozzles», SAE Paper 2002-01-0214, 2002.

64. Schwarz C., Schunemann E., Durst D., Fischer J., Witt A., «Potentials of the Spray-Guided BMW DI Combustion System», SAE Paper 2006-011265, 2006.

65. Skogsberg M., «A Study on Spray-Guided Stratified Charge Systems for Gasoline DI Engines», PhD Thesis, Department of AppliedMechanics, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, 2007. — 112.

66. Skogsberg M., et ai, «Effects of Injector Parameters on Mixture Formation for Multi-Hole Nozzles in a Spray-Guided Gasoline DI Engine», SAE Technical Papers, 2005-01-0097, 2005.

67. Skogsberg M., Dahlander P., Denbratt I., «Spray Shape and Atomization Quality of an Outward-Opening Piezo Gasoline DI Injector», SAE Paper 2007-01-1409, 2007.

68. Spalart, P.R. and Allmaras S.R., «A one-equation turbulence model for aerodynamic flows», Proc. 30th Aerospace Sciences Meeting and Exhibition, 6-9 January, Reno, Nevada, USA, Paper No. AIAA 92-0439, 1992.

69. Stach T., Schlerfer J., Vorbach M., «New Generation Multi-Hole Full Injector for Direct-Injection SI Engines — Optimization of Spray Characteristics by Means of Adapted Injector Layout and Multiple Injection», SAE Paper 2007-01-1404, 2007.

70. Stovell C., Matthews R., Johnson B., Ng, H. et al., «Emissions and Fuel Economy of a 1998 Toyota with a Direct Injection Spark Ignition Engine» SAE Technical Paper 1999-01-1527, 1999. 18p.

71. Tagaki Y., Itoh T., Muranaka S., Iiyama A., Iwakiri Y, Urushihara T., Naitoh K., «Simultaneous Attainment of Low Fuel Consumption, High Output Power and Low Exhaust Emissions in Direct Injection SI Engines», SAE Paper 980149, 1998. 12 p.

72. Tutorial Es-Ice version 2.04 for STAR 4.06. CD-adapco, 2008. - 175 p.

73. User Guide Es-Ice version 2.04 for STAR 4.06. CD-adapco, 2008 - 228 P

74. User guide STAR-CCM+ Version 6.04.016. CD-adapco, 2011. - 10572 P■

75. Weimar H., Töpfer G., and Spicher U, «Optical Investigations on a Mitsubishi GDI-Engine in the Driving Mode», SAE Technical Paper 199901-0504, 1999.-10p.

76. Wegner B., Maltsev A., Schneider C., Sadiki A., Dreizler A., and Janicka J., «Assessment of unsteady RANS in predicting swirl flow instability based on LES and experiments», International Journal of Heat and Fluid Flow, 25, pp. 528-536, 2004.

77. Weng V., Gindele J., Töpfer G., Spicher U. et al., «Investigation of the Bowl-Prechamber-Ignition (BPI) Concept in a Direct Injection Gasoline Engine at Part Load», SAE Technical Paper 1999-01-3658, 1999.

78. Weng V., Gindele G., Töpfer G., Spicher U., Latsch R., Kuhnert D.,

79. Das BPI-Verfahren — ein neues Brennverfahren für die BenzinDirekteinspritzung Ulrich Spicher „Direkteinspritzung im Ottomotor IT'», Expert-Verlag 2000. -511 p.

80. Weng V, «Experimentelle und Numerische Untersuchungen an einem Zündkammerverfahren für die Benzin-Direkteinspritzung», Dissertation Karlsruhe, 2001.

81. Wilcox D.C., «Turbulence Modelling for CFD», DCW Industries, Inc, 1994. 460p.

82. Wolters P., Baumgarten TL, Geiger J., Bozelie P., Luftgeführtes Otto-DL-Brennv erfahr en für EU IV Gesetzgebung Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik, 2000.

83. Wolters P., Geiger J., Baumgarten H. «Tumble-Brennverfahren für DI-Ottomotoren» MTZ61, 2000/11.

84. Yakhot V, Orszag S.A., Thangam S., Gatski T.B., and Speziale C.G., «Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique», Phys. Fluids, A4(7), pp. 1510-1520, 1992.

85. Yakhot V., and Orszag S.A., «Kenormalization group analysis of turbulence— I: Basic theory», J. Scientific Computing, 1, pp. 1—51, 1986.

86. Yamamoto S., Tanaka D., Takemura J., Nakayama O. et al., «Mixing Control and Combustion in Gasoline Direct Injection Engines for Reducing Cold-Start Emissions», SAE Technical Paper 2001-01-0550, 2001. -lip.