автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Численное моделирование задержки воспламенения топлива в дизеле

005010148

1^"

Сеначин Андрей Павлович

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДЕРЖКИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ

05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ФЕВ Ш

Барнаул - 2012

005010148

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Коржавин Алексей Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Баев Владимир Константинович доктор технических наук, профессор Юр Геннадий Сергеевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»

Защита состоится « 02 » марта 2012 г. в 12-00 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.004.03 при ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»,

656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, АлтГТУ (тел/факс (3852)260516; E-mail: D21200403@mail.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «27» января 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета № А.Е. Свистула

доктор технических наук, профессор

Абревиатура

ВМТ- верхняя мертвая точка;

ДВС- двигатель внутреннего сгорания;

ДКМ- детальный кинетический механизм;

ДТ- дизельное топливо;

КШМ- кривошипно-шатунный механизм;

JIO- локальный объем;

ММ- математическая модель;

ПКВ- поворот коленчатого вала;

РТ- рабочее тело;

ТВ- тепловой взрыв;

CR- система топливоподачи аккумуляторного типа (Common Rail).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Оптимизация процессов воспламенения и горения топлива путем численного моделирования является фундаментальной проблемой, имеющей теоретическое и практическое значения для повышения надежности, экономичности и экологической безопасности дизелей.

Моделированию и оптимизации рабочих процессов ДВС посвящены работы Н.М. Глаголева, Б.М. Гончара, И.И. Вибе, М.Г. Круглова, Н.С. Ханина, P.M. Петриченко, О.Г. Красовского, Н.К. Шокотова, В.Д. Сахаревича,

B.З. Махова, Н.Х. Дьяченко, Ю.Б. Свиридова, Н.Ф. Разлейцева, А.С. Куценко,

C.А. Батурина, Н.П. Третьякова, В.А. Звонова, А.И. Толстова, В.П. Карпова, О.Н. Лебедева, Д.Д. Матиевского, В.А. Синицына, Н.А. Иващенко, Р.З. Кавтарадзе и многих других отечественных и зарубежных ученых.

Однако до настоящего времени процессы самовоспламенения в дизелях, математические модели и методы расчета разработаны недостаточно. Например, для задачи о задержке воспламенения (периоде индукции) топлива в дизеле отсутствует математическая модель, адекватно учитывающая основные физико-химические особенности процесса. Поэтому период индукции в дизеле определяется либо экспериментально, либо исключительно на основе эмпирических формул, имеющих ограниченное применение.

Объект исследования - рабочий процесс дизеля.

Предмет исследования - самовоспламенение в дизеле - задержка воспламенения топлива.

Цель работы - развитие существующих представлений о самовоспламенении в дизеле и методов определения периода индукции путем разработки математических моделей и численного моделирования задержки воспламенения топлива на основе глобальной химической кинетики.

Задачи исследования

Как известно, рабочее тело в дизеле воспламеняется от сжатия, поэтому рассматриваемая задача относится к теории теплового взрыва (ТВ). Для численного моделирования воспламенения топлива в дизеле необходима математическая модель, построение которой возможно лишь после принятия гипоте-

зы о месте локализации области самовоспламенения - ЛО. Впрыскиваемое топливной форсункой ДТ нарушает однородность РТ и требуют рассмотрения усложненной математической модели (ММ). Присутствие в задаче химических реакций требует знания макрокинетики ДТ и более точного расчета исходного состава газов.

Поэтому, с учетом уже достигнутых результатов в рассматриваемой области и в теории ТВ, необходимо решить следующие задачи:

1) рассмотрения самовоспламенения ДТ - задержки воспламенения в дизеле в свете современной теории ТВ и периоде индукции воспламенения топлива как задачи о самовоспламенении при адиабатическом сжатии;

2) самовоспламенения топливно-воздушной смеси в дизеле (как целого) в качестве исходной для постановки уточненной задачи о задержке воспламенения и задачи определения констант макрокинетики ДТ;

3) создания базовой математической модели динамики развития топливно-воздушного факела дизеля как тела переменной массы для обоснования гипотезы о месте локализации ЛО - очага воспламенения в дизеле;

4) разработки математической модели и компьютерной программы расчета периода индукции как задачи о самовоспламенении ЛО и определения констант макрокинетики ДТ путем решения обратной задачи о задержке воспламенения топлива с использованием собственных экспериментальных данных;

5) развития математической модели воспламенения ДТ в ЛО при использовании аккумуляторной системы топливоподачи типа Common Rail (CR), разработки компьютерной программы для численного моделирования периода индукции в дизеле и уточнения констант макрокинетики ДТ.

Научная новизна (положения, выносимые на защиту).

• Построены математические модели и разработаны компьютерные программы для численного моделирования задержки воспламенения топлива в дизеле с классической и аккумуляторной системами топливоподачи, как задачи о самовоспламенения ЛО на внешней границе факела.

• На основе экспериментальных данных стендовых исследований определены константы макрокинетики ДТ, численным решением обратной задачи самовоспламенения топлива в дизелях с классической и аккумуляторной системами топливоподачи.

• Численное моделирование показало, что самовоспламенение в дизеле происходит в условиях околостехиометрической смеси (со сдвигом в бедную область), однако при низких энергиях активации химической реакции в тяжелых углеводородах возможно воспламенение богатых смесей.

Практическая ценность работы. Полученные в работе расчетнопрограммные комплексы позволяют моделировать процессы самовоспламенения топлива в дизелях на стадии их проектирования и доводки.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется использованием достоверных результатов других авторов и современных

мировых достижений в рассматриваемой области, проведением натурных экспериментальных исследований с применением надежных экспериментальных методик и апробированных методов численного моделирования.

Апробация работы. Результаты докладывались на конференциях различного уровня: Всероссийской научно-техн. конф. «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред» (Барнаул, АлтГУ, 1996); 55-и и 57-й научно-технических конф. студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического ун-та (Барнаул, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1997 и 1999); VI Междунар. научно-практ. семинаре «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС» (Владимир, ВладГУ, 1997); Междунар. научно-техн. конф., по-свящ. 100-летию создания 1-го Российского дизеля «Совершенствование быстроходных ДВС» (Барнаул, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1999); V Междунар. школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2000); II Междунар. конф. «Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов» (Барнаул, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2000); Междунар. научно-практ. конф. «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения» (Челябинск, ЮУрГУ, 2003); Всероссийской научно-практ. конф. с междунар. участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» - ЭЭТПЭ-2007 (Барнаул, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2007); Международной конф. Двигатель-2010, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010); Юбилейной науч-но-техн. конф. «5-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, МАДИ, 2011); III Всероссийской научно-практ. конф. «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, Самарский областной дом науки и техники, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 работы, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованном ВАК, 7 статей в других периодических изданиях и специализированных сборниках, 3 доклада и 5 тезисов докладов на конференциях различного уровня и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содержит 145 страниц, 37 рисунков, 5 таблиц и 135 цитированных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационнои работы, показаны ее научное и практическое значения, изложены основные положения, выносимые на защиту.

1 ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА И ПРОБЛЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ

Рассмотрены положения классической теории ТВ - нестационарной (Н.Н. Семенова) и стационарной (Д.А. Франк-Каменецкого), применительно к

задаче самовоспламенения топлива в дизеле для прогнозирования задержки воспламенения. Математически задачи классической теории ТВ сводятся к решению уравнения вида

описывающего процессы разогрева £>+ и охлаждения Q рабочего тела (некоторой области) в результате химической реакции и теплопроводности (теплоотдачи). Решение задачи сводится к нахождению критических условий

мы ТВ (А.Г. Мержанова с сотрудниками) отличаются от классической задачи (1) только краевыми условиями, например, условиями теплоотдачи.

Задача о воспламенении в двигателе (дизеле) математически формулируется как

где (2СЖ - теплоприход за счет работы сжатия поршнем. В своей постановке задача (2) не содержит никакого критического условия и не может быть решена классическими методами.

При отсутствии внешнего сжатия ()сж =0 задача (2) сводится к задаче адиабатического ТВ (О.М. Тодеса), где период индукции определяется как

Для задач воспламенения при адиабатическом сжатии вида (2) сравнительно недавно разработан метод решения, основанный на использовании специального дифференциального критерия

где р - давление в рассматриваемом объеме (камере сгорания).

Применение подходов (3) и (4) к задаче воспламенения в дизеле осложнено из-за неоднородности рабочего тела, поэтому необходимо рассматривать не весь объем, в целом, а некоторый ЛО, в котором происходит самовоспламенение в режиме динамического ТВ.

2 БАЗОВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЯХ

Предложена методика расчета исходного состава рабочего заряда с учетом состава воздуха, наполнения цилиндра двигателя и остаточных газов.

Рассмотрена задача самовоспламенения топливно-воздушной смеси в дизеле (как целого) в качестве исходной для постановки уточненной задачи о задержке воспламенения. В результате анализа (с упрощением закона сжатия до синусного механизма) получаем условие самовоспламенения

и1 і

— = е -<2 , при / = О, Т = т0,

ш

(1)

% *

Т = Т и 5(Т ), где 5 - безразмерный параметр задачи. Динамические режи-

— =Є++2сж, при 1=0, Т = Т0, ш

(2)

(3)

(4)

Уу1(Фо-(РТ'1гЖР'Гг-1/е0) е

определяющее критическое давление Р* = р* /р() , позволяющее найти задержку воспламенения топлива (е,Ео - степени сжатия, геометрическая и после начала впрыска; у - показатель адиабаты; Je,Dv ,р0 - параметры задачи).

Построена базовая математическая модель динамики дизельного факела как тела переменной массы для обоснования гипотезы о месте локализации очага воспламенения (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Схематическое представление структуры топливно-воздушного факела дизеля, как тела переменной массы

Дизельный факел состоит из слоев и колец, которые обмениваются между собой и с окружающим газом энергией, импульсом и массой. Получаем систему алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих термодинамику и движение системы взаимодействующих материальных точек.

На основе анализа принята гипотеза о месте локализации очага самовоспламенения -ЛО находится на внешней границе факела,

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДЕРЖКИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ В ДИЗЕЛЕ

Приведено описание стенда для исследования рабочего процесса дизеля на базе одноцилиндрового двигателя 1ЧН13/14 ОАО «Алтайдизель».

Для ММ приняты следующие допущения относительно физикохимических процессов в ЛО и рабочем объеме до момента воспламенения факела:

1) факел поджигается от воспламенившегося ЛО, находящегося вне факела, образовавшегося из испарившихся мельчайших капель практически в момент начала подачи топлива в цилиндр;

2) капли испаряются за счет внутренней энергии ЛО, который в дальнейшем вплоть до самовоспламенения, не обменивается энергией и массой с окружающим газом, другими каплями и топливным факелом;

3) принимаем гипотезу, что образовался один ЛО;

4) физическое время задержки воспламенения не учитываем.

В ЛО протекает брутто-реакция, макрокинетическое уравнение которой для топлива, в условную молекулу которого СсНкОа (/=6) входит с - атомов

углерода, /г - атомов водорода и о - атомов кислорода, запишется

СсНи00 + (с + /г/4 - о/2)02 -> сС02 + {к/1)Н20. (6)

Начальный состав смеси в ЛО для всех 6-ти компонентов (индексы: 102 ; 2- N2; 3- пары Н20; 4- Аг : 5- С02 ; 6- пары топлива) и начальная температура 01 находятся с учетом полного испарения капель.

Скорость брутто-реакции в реальном масштабе времени будет равна

Е

(7)

^ = *(я1я6)5/2[^

ехр

откуда, с учетом (6), находим скорости по компонентам смеси IV.. Текущее значение относительной концентрацииу'-го компонента смеси в ЛО имеет вид

*0

1Ч =

с/ф 2кпор

"Г

(8)

Уравнение энергии смеси в ЛО (из которого с помощью уравнения состояния исключен объем) имеет вид

я

'рЛО

м}

рЛО

н

ЛО

Н]ЛО

(м

ЛО

М1

(9)

Уравнение энергии всей смеси (динамики давления) запишется как

РУ = -

с,

ср-я

рУ+

я

сг

■я

(10)

,, У' ап (г -тЛ, /( о Т*) Срб(гх т)

—У"~Т)+---------Г.-----тГ+------Г.--------т$

„ 2кп Му ■’ М]■

Математическая модель самовоспламенения ЛО также включает уравнения: объема системы и его динамики (для аксиального механизма); закона поступления жидкого топлива (для ф] <<р<ф| +ф2); массы испарившегося топлива в рабочем объеме и состояния смеси общее. Рассматривается ДТ с термодинамическими свойствами смеси 50% н-цетана (С16Я34) и 50% 1-метилнафталина (Сц#10). Расчет задержки воспламенения проводится путем численного интегрирования системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта четвертого порядка, пока степень выгорания топлива в ЛО не достигнет заданной величины 99%, соответствующее аь/аы > 0,01.

Оценка констант макрокинетики. Для численного решения задачи о задержке воспламенения необходимо знать константы макрокинетики в уравнении (7) - энергию активации Е , константу скорости к и суммарный порядок реакции 5 , которые для ДТ в настоящее время неизвестны.

В эмпирических формулах разных авторов для расчета задержки вос-

8

пламенения в дизеле, имеющих вид формулы О.М. Тодеса для периода индукции адиабатического ТВ г,- = Вр"ехр(Е/ЛТ), в качестве энергии активации Е и суммарного порядка реакции 5 = 1-/; принимаются существенно отличающиеся друг от друга численные значения.

Другая проблема выбора констант макрокинетики состоит в том, что для тяжелых углеводородов энергия активации Е в области температур 700-900 К испытывает довольно резкий излом или имеет неопределенное значение из-за двухстадийности самовоспламенения углеводородов. Анализ эмпирических формул по задержкам воспламенения показывает, что в них для ДТ значение барического показателя соответствует порядку реакции 5 = 1-я от 1,4 до 3,0 при весьма большом разбросе величины Е.

Экспериментальные данные по задержкам воспламенения получены с участием соискателя при индицировании одноцилиндрового дизеля 1ЧН 13/14. Период индукции определялся визуально по скоростным и регулировочным характеристикам с экрана цифрового анализатора 657 АУЬ (Австрия) сопоставлением диаграмм подъема иглы форсунки и давления в цилиндре (суммарная погрешность измерения составляла ±1 град ПКВ).

Численное моделирование для дизеля. В начале была принята энергия активации £=25,14 кДж/моль, характерная для высокотемпературной области воспламенения, и рассмотрено влияние коэффициента избытка воздуха а в ЛО на задержку воспламенения ДТ. При этом для а ло = 1 по известной из эксперимента задержке воспламенения определялась константа скорости реакции при порядке 5=1,5 и для этой константы скорости варьировался коэффициент ало . (Рисунок 2, нижняя кривая). При увеличении а л0 задержка воспламенения сначала уменьшается, а затем медленно возрастает, с минимумом при а =1,35 Затем для нового коэффициента ало =1,35 определялась новая константа скорости и варьирование а Лу подтверждало наличие минимума задержки при а ло =1,35 (Рисунок 2, верхняя кривая).

Аналогичные расчеты проведены для энергии активации Е=76,67 кДж/моль, характерной для низкотемпературной области (Рисунок 3). Затем выбрали значение £=38 кДж/моль, характерное для переходной области, и получили зависимость задержки воспламенения г,- от коэффициента избытка воздуха а до с минимумом при а Лд =1,30. Изменение порядка реакции приводит к изменению тангенса угла наклона скоростной характеристики (Рисунок 5). При порядке реакции 5 =2,5 имеем удовлетворительное согласие с экспериментальными данными и получаем новую константу скорости &=9,39-1012 моль'''5м4'5с'' при ало =1,4 (Рисунок 4, верхняя кривая), таблица 1.

/

■ 2^—

^ . » ч 1

1.5 2,0 2.5

Коэффициент избытка воздуха в ЛО. ало

1.5 2.0 2.5

Коэффициент избытка воздуха в ЛО, ало

Рисунок 2 - Зависимость задержки воспламенения в дизеле от а до при энергии активации Е=25,14 кДж/моль и 5=1,5: 1‘ аЛО=1'0' *=9,69Ю8;

2- а _/70=1’35' *=2,18 10е моль-°'5м1-5с1

Рисунок 3 - Задержка воспламенения топлива в дизеле от ос до при Е=76,67 кДж/моль и 5=1,5:

1- а ло =1,0, *=1,034Ю10;

2- а до =1,19, /(=5,85 109 моль‘°'5м1,5с'1

Рисунок 4 - Задержка воспламенения топлива в дизеле от ОС до при Е=38 кДж/моль и 5=2,5:

1- ОС ло =1,05, к=1,781013;

2- ОС д0 =1,40, /<=9,39 1012 моль‘°'5м1 V

Коэффициент избытка воздуха в ЛО

Рисунок 5 - Г рафик зависимости начальной (1) и конечной (2) температуры смеси в ЛО при варьировании коэффициента избытка воздуха, энергии активации Е и порядка реакции 5 .

Частота вращения п, мин >

Рисунок 6 - Задержка воспламенения от частоты вращения коленчатого вала при 5=2,5,

£=38 кДж/моль, /с=9,39Ю12 моль'1,5м4,5с'1:

15,5 - 8 =15,5; 17,5 - Б =17,5. Пунктирные линии -эксперимент, сплошные линии - расчет

Таблица 1 - Сравнение экспериментальных и моделируемых задержек воспламенения

Сте- пень сжа- тия, 8 Частота вращения, п, мин'1 Задержка Гу, град ПКВ. Оптим. значе- ние ало Значения кинетических констант

Экспер. Расчет Е, кДж/моль к, (моль,м,с) 5

15,5 1300 9,5 9,5 1,35 25,14 2,1810° 1,5

1,19 76,67 5,85-Ю3

1,30 38 4,04-10°

15,5 1700 10,9 10,91 1,40 38 9,39-Ю12 2,5

1500 9,4 9,96

1300 9,5 9,5

1200 9,1 9,1

1100 9,0 8,7

17,5 1700 9,7 8,73 1,40 38 9,39-Ю12 2,5

1500 7,8 8,2

1300 8,2 7,39

1200 8,2 7,38

1100 7,3 7,14

Как уже отмечалось, углеводороды с большой молекулярной массой отличаются двухстадийностью процесса самовоспламенения и при температурах 700-900 К имеют неопределенную величину энергии активации Е , с низким численным значением (вплоть до нулевого), что связано с накоплением, а затем распадом гидроперикисей, преимущественно Н202. Это может привести к значительному росту скорости химической реакции при этих температурах и сдвинуть максимум в область богатых смесей, несмотря на значительное охлаждение смеси из-за испарения капель жидкого топлива. Кроме того, по данным исследований Дека (Dec J.E., 1997), Вестбрука (Westbrook Charles К., 2000) и других воспламенение в дизеле происходит в условиях очень богатой топливной смеси.

Поэтому были проведены исследования самовоспламенения ДТ в JIO при расширенном диапазоне коэффициента избытка воздуха ал0 для различных значений энергии активации химической реакции Е . Отметим, что неоднозначность выбора энергии активации Е, влияющей на особенности физико-химического процесса самовоспламенения топлива, является одной из принципиальных трудностей теоретического определения задержки воспламенения топлива в дизеле.

Эти результаты приведены на рисунках 7А (для £ =38 кДж/моль) и 7Б (для Е =76,67 кДж/моль). Как показывают численные исследования, при низкой энергии активации Е имеют место два минимума задержки воспламенения г,-, в богатой и бедной областях, причем первый оказывается более глубоким. При увеличении энергии активации Е эти минимумы приближаются к области стехиометрической смеси. При Е около 85 кДж/моль минимумы г,- сливаются в один при ало=1, а при дальнейшем увеличении Е этот минимум сдвигается в бедную область. Кроме того, существует ограничение по минимальной конечной температуре в ЛО 7=1700 К, способной поджечь топливно-воздушный факел (Рисунок 5, линия 3).

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8

Коэффициент избытка воздуха в ЛО

А- Е =38 кДж/моль

1,6 й « 16

S 2

1.4 s с I14

1,2 • 3 Ф

Z !■

1,0 g О 10

ё

0,8 о 1 8

О 0,6 ? ° 6

\ \ 3

V \ L

\ <2 -—_

/2 П

/

1,4

1,2

1,0

0,8

0.4

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Коэффициент избытка воздуха в ЛО

Б- Е =76,67 кДж/моль

Рисунок 7 - Зависимость задержки воспламенения топлива в дизеле Г/ от коэффициента а до :

1- задержка воспламенения; 2- начальная скорость химической реакции;

3- произведение концентраций топлива и окислителя

и

Относительные единицы

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДЕРЖКИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ С АККУМУЛЯТОРНОЙ СИСТЕМОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ

В дизеле с аккумуляторной системой тоиливоиодачи типа СЯ задержка воспламенения топлива определяется аналогично, за исключением математического блока для ЛО. Здесь отличия следующие.

ЛО мал по сравнению с общим объемом системы, его объем определяется заданным локальным коэффициентом избытка воздуха ало. В начале процесса впрыска топлива в этот ЛО попадает некоторое количество капель топлива (условно одна капля) с диаметром (ядо) > близким к среднему диаметру капель в факеле. В модели учитывается процесс испарения капель в ЛО и реакция по уравнению (6) начинается с очень малой скоростью, поскольку в начале топлива в ЛО практически нет. С учетом уравнения (6), запишем производные от числа молей компонентов смеси в ЛО:

у\ло =~Щ(с + к/4-о/2), у2ло=0, \ъло=Щ1г/2, \4ЛО = 0 ,

У5У7О = , У(,д0 = -Щ + тхЛОД/у , р = Й0Уло/(2кпр). (11)

Уравнение энергии смеси в ЛО примет вид

Срлл ) в ~ ^ мм

УЛО 7=|

* Я$ [ А о

V УШ - V шц IV----— — + - _ 1

' 2хпр{4 2

+

(12)

+^'р+1^[сЛТ»-Т>сЛ<-еУ1л-

р м у V ло

Уравнение энергии всей смеси (динамики давления) запишется в прежнем виде (10), как и уравнение (7) для скорости реакции в ЛО. Математическая модель самовоспламенения в ЛО включает также уравнения: объема системы и его динамики (для аксиального механизма); закона поступления жидкого топлива (для ф| < (р < ф, + ф,); динамики массы испарившегося топлива в ЛО; динамики массы испарившегося топлива в рабочем объеме; состояния смеси в ЛО и воздушного заряда.

Поскольку уравнение энергии (12) в ЛО учитывает текущие затраты энергии на испарение топлива, то в данной постановке задачи определяется совмещенная задержка воспламенения, объединяющая физическую задержку (испарение капель в ЛО) и химическую задержку (самовоспламенение смеси в ЛО), поскольку оба процесса протекают одновременно.

Моделирование самовоспламенения топлива в дизеле с системой топ-ливоподачи типа СЯ проводилось при значении £=38 кДж/моль и порядке реакции 5=2. Экспериментальные данные по задержкам воспламенения топлива в дизеле с системой топливоподачи типа СЛ получены соискателем при обработке индикаторных диаграмм, снятых на кафедре ДВС АлтГТУ им. И.И. Ползунова на одноцилиндровом дизеле 1ЧН 13/14.

Частота вращения п, 1/мин

/>цпр =60 МПа

Частота вращения п, 1 /мин /?ЦПР МПа

Частота вращения л, 1/мин /^ВПР =^0 МПа

Частота вращения п, І/мин РвпР =^50 МПа

Рисунок 8 - Скоростные характеристики задержки воспламенения топлива в дизеле: точки - экспериментальные данные; пунктир - линия тренда; сплошная линия - численное моделирование

Частота вращения л, шин Рисунок 9 - Расчетные зависимости задержки воспламенения от частоты вращения при

давлениях впрыска р:

1- 60 МПа; 2- 90 МПа; 3-120 МПа; 4-150 МПа

0 5 10 15 20 25

Эффективная мощность Ме. кВт

Рисунок 10 - Нагрузочная характеристика задержки воспламенения топлива в дизеле при

/?впр.=60 МПа и п=1700 мин*1:

точки - экспериментальные данные; пунктир - линия тренда; сплошная линия - численное моделирование

Моделирование показало, что качественный характер влияния коэффициента избытка воздуха в ЛО на задержку воспламенения сохраняется, при увеличении адо от значения 1,0 до 1,1 наблюдается характерный минимум, однако он настолько слабо выражен, что в практически можно положить а ло =1.05 (что принято в дальнейших расчетах).

На рисунке 8 приведены результаты численного моделирования задержки воспламенения топлива на скоростных характеристиках в сравнении с экс-

периментальными данными при давлении впрыска топлива /)|!ПР равном 60, 90, 120 и 150 МПа, которые обобщены на рисунке 9. На рисунке 10 приведена расчетная нагрузочная характеристика для задержки воспламенения топлива в сравнении с экспериментальными данными. Видно, что соответствие экспериментальных и расчетных задержек воспламенения топлива удовлетворительное. Наибольший разброс экспериментальных точек имеет место на нагрузочной характеристике (Рисунок 10), поэтому результаты численного моделирования имеют большее отклонение от экспериментальных данных. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1 Рассмотрена проблема самовоспламенения топлива в поршневых двигателях в свете классической теории теплового взрыва (ТВ) - стационарной и нестационарной. Показано, что задача задержки воспламенения в дизеле относится к новому классу задач ТВ - самовоспламенения при адиабатическом сжатии.

2 Рассмотрена задача самовоспламенения в дизеле (всего газа как целого), как базовая для разработки уточненной математической модели для расчета периода индукции и определения макрокинетики дизельного топлива (ДТ).

3 Построена математическая модель динамики и разработана компьютерная программа развития дизельного факела, как тела переменной массы, для решения вопроса

о месте локализации очага воспламенения — локального объема (ЛО) в камере сгорания дизеля.

4 Разработана математическая модель самовоспламенения ЛО в дизеле и создана компьютерная программа. По экспериментальным данным индицирования одноцилиндрового двигателя 1ЧН 13/14 ОАО «Алтайдизель», полученным с участием автора, путем численного решения обратной задачи определены константы макрокинетики ДТ и проведено сравнение расчетных и экспериментальных задержек воспламенения по скоростным характеристикам двигателя с разными степенями сжатия.

5 Развита математическая модель самовоспламенения ЛО в дизеле при использовании аккумуляторной системы топливоподачи типа СК и проведено численное моделирование для нахождения макрокинетических констант ДТ и зависимостей задержки воспламенения по скоростным и нагрузочным характеристикам одноцилиндрового двигателя 1ЧН 13/14, полученным на кафедре ДВС АлтГТУ им. И.И. Ползунова.

6 Численное моделирование задержки воспламенения в дизеле на основе результатов стендовых исследований показало:

- режимы воспламенения ДТ в области богатой смеси (но не ниже ал0 =0,5) реализуются при энергии активации Е порядка 40 кДж/моль, при этом наблюдаются два минимума задержки воспламенения топлива - в богатой и бедной областях, а при Е более 80 кДж/моль - один минимум в бедной области, что согласуется с данными

А.Н. Воинова по воспламенению ДТ в бомбе при температурах 670-730 К;

- численные исследования показывают, что воспламенение в дизеле при начальных температурах в ЛО 670-730 К происходит с Е порядка 90 кДж/моль в условиях око-лостехиометрической смеси со сдвигом в бедную область (при ало от 1,05 до 1,25);

- точность расчетов задержки воспламенения топлива в дизеле по разработанным неэмпирическим моделям (с классической и аккумуляторной системами топливоподачи) приемлема для практического применения (с погрешностью до 8 %);

- поскольку результаты численного моделирования задержки воспламенения в дизеле не согласуются с данными зарубежных авторов о самовоспламенении в условиях очень богатой смеси, считаем, что проблема требует дальнейших экспериментальных и теоретических исследований с использованием детальной химической кинетики.

Практическая ценность работы. Полученные в работе расчетно-программные комплексы позволяют моделировать процессы самовоспламенения топлива в дизелях на стадии их проектирования и доводки. Результаты работы приняты к использованию в ОАО «ПО «Алтайский моторный завод», г. Барнаул.

Разработанные при выполнении работы математические модели и компьютерные программы используются в научно-исследовательских работах и учебном процессе в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова, г. Барнаул.

Работа выполнена при частичной поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Основные результаты опубликованы в работах:

статьи в изданиях, рекомендованных ВАК -

1 Матиевский, Д.Д. Динамика топливно-воздушного факела дизеля / Д.Д. Матиевский, П.К. Сеначин, В.В. Чертищев, АП. Сеначин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока,-2003,- N2 3,- С. 78-84.

2 Сеначин, П.К. Моделирование топливно-воздушного факела дизеля / П.К. Сеначин,

B.В. Чертищев, АП. Сеначин Н Попзуновсшй вестник,- 2006,- № 4,- С. 166-170.

3 Сеначин, АП. Определение глобальной кинетики дизельного топлива численным решением обратной задачи динамики самовоспламенения в дизеле / А.П. Сеначин, А.А. Кор-жавин, П.К. Сеначин II Ползуновский вестник,-2009.- № 4,- С. 155-165.

4 Сеначин, АП. Задержка воспламенения топлива в дизеле с системой топливоподачи повышенного давления / А.П. Сеначин, П.К. Сеначин // Известия Самарского научного центра РАН,- 2011.-Том 13, № 1(2).- С. 479-486.

5 Сеначин, АП. Проблема выбора энергии активации глобальной химической кинетики при численном моделировании самовоспламенения топлива в дизеле / А.П. Сеначин, В.А. Синицын // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока,- 2011,-№ 2,- С. 232-237.

публикации в других изданиях -

6 Залюбовский, М.Н. Обратная задача динамики самовоспламенения горючей смеси в адиабатической пушке со свободным поршнем / М.Н. Залюбовский, АП. Сеначин, П.К. Сеначин // Исследования по баллистике и смежным вопросам механики: Сборник статей СРЦ РАРАН / Под ред. И.Б. Богоряда,- Томск: Изд-во Том. ун-та, 1997,- С. 65-70.

7 Сеначин, П.К. Самовоспламенение газа в адиабатической пушке и метод определения макрокинетики горючих смесей / П.К. Сеначин, О.Н. Стародубов, АП. Сеначин И Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред. Гидродинам. структурно-неднородных сред. Том 4 / Труды Всерос. научно-техн. конф. АлтГУ, 1996,- Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1997.-С. 84-90.

8 Сеначин, П.К. Численный эксперимент для обоснования метода определения макрокинетики в обратной задаче самовоспламенения в адиабатической пушке / П.К. Сеначин, Д.Д. Матиевский, А.П. Сеначин // Научно-техн. творчество студентов. Автотрактор, фак-т/ Сборник тезисов докл. 55-й науч. конф,- Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1997,-С. 43-45.

9 Сеначин, АП. Уравнения энергии в многозонной модели процесса горения в двигателе с искровым зажиганием / А.П. Сеначин, Д.Д. Матиевский, П.К. Сеначин // Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС / Матер. VI Междунар. научно-практ. семинара,- Владимир: Изд-во ВладГУ, 1997.-С. 149-152.

10 Сеначин, П.К. Моделирование задержки воспламенения топлива в дизеле и газоди-зеле / П.К. Сеначин, А.Е. Свистула, Д.Д. Матиевский, АП. Сеначин // 57-я научно-техническая конф. студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического ун-та. Автотракторный факультет,- Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1999.- С. 50-52.

11 Сеначин, П.К. Физические и химические аспекты задержки воспламенения топлива в газодизеле, разработанном с использованием новых методов материаловедения / П.К. Сеначин, А.Е. Свистула, Д.Д. Матиевский, А.П. Сеначин // Вестник АлтГТУ им. И.И. Пол-зунова,-1999,- №2. С. 39-40.

12 Сеначин, П.К. Моделирование процесса воспламенения топлива в газодизеле, работающем на природном газе / П.К. Сеначин, Ю.Г. Верстухин, А.Е. Свистула, АП. Сеначин // Совершенствование быстроходных ДВС / Матер, междунар. научно-техн. конф., посвящ. 100-летию создания 1-го Рос. дизеля.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1999.-

C. 26-27.

13 Куприенко, Г.В. Моделирование процессов самовоспламенения и сгорания смеси в дизеле и газодизеле I Г.В. Куприенко, П.К. Сеначин, Д.Д. Матиевский, АП. Сеначин // Эволюция дефектных структур в конденсированных средах / Сборник тезисов докл.. V междунар. школы-семинара / Под ред. М.Д. Старостенкова,- Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2000,- С. 74-75.

14 Куприенко, Г.В. Моделирование процессов самовоспламенения и горения смеси в дизеле / Г.В. Куприенко, П.К. Сеначин, Д.Д. Матиевский, АП. Сеначин II Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов / Матер. II Междунар. конф. / Под ред. А.Л. Новоселова,- Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2000,- С. 78-79.

15 Матиевский, Д.Д. Моделирование задержки воспламенения топлива в дизеле / Д.Д. Матиевский, П.К. Сеначин, А.П. Сеначин // Вестник АлтГТУ им. И.И. Ползунова,- 2001. № 3.-

С. 64-68.

16 Сеначин, П.К. Метод расчета исходного состава газовой смеси в дизеле / П.К. Сеначин, Д.Д. Матиевский, АП. Сеначин II Повышение экологической безопасности автотракторной техники: Сборник статей / Под ред. А.Л. Новоселова / Академия транспорта РФ,- Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2001.- С. 6-10.

17 Матиевский, Д.Д. Топливно-воздушный факел дизеля как тело переменной массы / Д.Д. Матиевский, Г.В. Куприенко, П.К. Сеначин, АП. Сеначин // Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения: Труды Межд. научно-практ. конф. / ЮжноУральский гос. ун-т,- Челябинск: Изд-во ЮурГУ, 2003,- С. 140-143.

18 Сеначин, А.П. Математическая модель для расчета задержки воспламенения топлива в дизеле / А.П. Сеначин, Т.А. Сеначина // Проблемы совершенствования энергетических установок: Сб. статей / Под ред. А.А. Мельберт I Российский союз научных и инженерных организаций, АлтГТУ им. И.И. Ползунова,- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2008,- С. 99-106.

19 Сеначин, АП. Расчет задержки воспламенения топлива в дизеле на основе кинетики цетана и 1-метилнафталина / А.П. Сеначин, П.К. Сеначин // Экологические проблемы энергоустановок с тепловыми двигателями: Сб. статей / Под ред. А.А. Мельберт I Российский союз научных и инженерных организаций, АлтГТУ им. И.И. Ползунова,- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2008,-С. 94-105.

20 Сеначин, А.П. Моделирование задержки воспламенения топлива в дизеле с аккумуляторной системой впрыска типа СЯ / А.П. Сеначин, П.К. Сеначин // 5-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе / Тезисы докл. Юбилейной научно-техн. конф., 14 марта 2011.-М.: МАДИ, 2011.-С. 142-144.

21 Сеначин, АП. Моделирование воспламенения топлива в дизеле / А.П. Сеначин, П.К. Сеначин И Вестник Сибирского отделения Академии военных наук,- 2011.- № 10,- С. 362-369.

22 Сеначин, АП. Расчет задержки воспламенения топлива в дизеле на основе уравнения глобальной химической кинетики (ОШБЕ^АиТОЮМТЮМ) // А.П. Сеначин, П.К. Сеначин / Свид-во о ГР программы для ЭВМ №2011611881 / ГОУ ВПО «Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ) (Яи).- Заявка № 2011610139 от 11.01.2011,- Зарегистрировано в Реестре 28.02.2011.

23 Сеначин, П.К. Расчет динамики изотермического факела дизеля (ТОИСН-12о1егта1)// П.К. Сеначин, С.А. Ульрих, АП. Сеначин, В.В. Чертищев / Свид-во о ГР программы для ЭВМ № 2011619013 / ФГБОУ ВПО «Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова» (АлтГП,( (Ии).- Заявка № 2011617184 от 27.09.2011.- Зарегистрировано в Реестре 18.11.2011.

Подписано в печать I8.0l.20l2. Формат60х84 I/16.

Печать - цифровая. Усл.п.л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ № 31. Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852)29-09-48 Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД № 28-35 от 15.07.97 г.

61 12-5/1912

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ)

На правах рукописи

Сеначин Андрей Павлович

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДЕРЖКИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ

05.04.02 - тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., доц. Коржавин А.А.

Барнаул - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения и сокращения................................................. 4

ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................... 8

1 ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА И ПРОБЛЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ........................................................................... 13

1.1 Процессы самовоспламенения в поршневых двигателях и теория теплового взрыва.......................... 13

1.2 Адиабатический тепловой взрыв............................. 26

1.3 Задача о самовоспламенении при адиабатическом сжатии и задержка воспламенения топлива в дизеле...... 28

1.4 Выводы по 1-му разделу........................................ 33

2 БАЗОВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЯХ............. 34

2.1 Уточненный расчет исходного состава газовой смеси

в поршневом двигателе............................................... 34

2.2 Задержка воспламенения топлива в дизеле как

период индукции теплового взрыва рабочего объема...... 39

2.3 Самовоспламенение газа в адиабатической пушке и определение макрокинетики горючих смесей................. 47

2.4 Топливно-воздушный факел дизеля как тело переменной массы. Модельная задача динамики дизельного факела...................................................... 54

2.5 Выводы по 2-му разделу......................................... 66

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДЕРЖКИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ.......................................................... 67

3.1 Экспериментальная установка для исследования рабочего процесса дизеля........................................... 67

3.2 Математическая модель задержки воспламенения топлива в дизеле. Динамический тепловой взрыв локального объема..................................................... 79

3.3 Определение глобальной кинетики дизельного топлива численным решением обратной задачи динамики самовоспламенения в дизеле........................ 88

3.4 Особенности самовоспламенения в дизеле при

низких энергиях активации химической реакции............. 100

3.5 Выводы по 3-му разделу........................................ 108

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДЕРЖКИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ С АККУМУЛЯТОРНОЙ СИСТЕМОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ............................................................. 111

4.1 Математическая модель задержки воспламенения топлива в дизеле с аккумуляторной системой топливоподачи типа Common Rail................................. 111

4.2 Численное моделирование задержки воспламенения топлива в дизеле с системой топливоподачи типа CR..... 117

4.3 Выводы по 4-му разделу........................................ 122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ............................... 123

ЛИТЕРАТУРА.................................................................... 126

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................. 142

Обозначения и сокращения

ВМТ- верхняя мертвая точка;

ДВС- двигатель внутреннего сгорания;

ДКМ- детальный кинетический механизм;

ДТ- дизельное топливо;

КПД- коэффициент полезного действия;

КШМ- кривошипно-шатунный механизм;

JIO- локальный объем;

ПКВ- поворот коленчатого вала;

ТВ- тепловой взрыв;

ЭВМ- электронная вычислительная машина;

CR- система топливоподачи повышенного давления (Common Rail); HCCI- двигатель, работающий по технологии гомогенного завряда с воспламенением от сжатия (Homogeneous Charge, Compression Ignition); RCM- машина быстрого сжатия (Rapid Compression Machine).

Латинский алфавит Aj - мольная концентрация j-то компонента смеси;

ау - относительная концентрация j-то компонента смеси;

а- диаметр капли; С- концентрация вещества; Ср, Cv - мольные теплоемкости;

ср, cv - массовые теплоемкости;

D- диаметр поршня;

D- коэффициент диффузии;

Da- критерий Дамкёлера;

Dv - безразмерный параметр;

d- характерный размер;

Е- энергия активации химической реакции;

Т7- сечение поршня;

Н- мольная энтальпия;

Н{ - массовая энтальпия сгорания топлива;

]е - %е -1 = Ре -1 - энергетический параметр горючей смеси;

тепловой эффект /-ой реакции; к- предэкспонент константы скорости химической реакции; Ь- характерная длина; Ц - мольная теплота испарения топлива; т- масса;

М - молекулярная масса; п- частота вращения коленчатого вала; п- направление нормали к поверхности; N11- критерий Нуссельта; Р- относительное давление; р- давление;

ре = %е = Ре/Р," максимальное давление взрыва в закрытом сосуде; Я- универсальная газовая постоянная; г- радиус;

г0- характерный размер; 5- ход поршня;

ви- нормальная скорость пламени; 5- суммарный порядок химической реакции; Т- абсолютная температура; время;

(2 - мольный тепловой эффект реакции (по топливному компоненту); <21 - тепловой эффект на единицу массы реагирующего вещества; q- тепловой поток; V- объем;

\/с - объем камеры сгорания;

Ул - объем цилиндра; ТУ- скорость химической реакции; W- скорость; м?- скорость;

объем (для ЛО); х- массовая доля сгоревшего заряда;

I- обобщенный предэкспонент константы скорости химической реакции; х, у, г- декартовы координаты.

Греческий алфавит а - коэффициент теплоотдачи; а- коэффициент избытка воздуха; р, = Я7'¡/Е- малый параметр Д.А. Франк-Каменецкого; Р - угол раскрытия факела (половина угла условного конуса); 7- показатель адиабаты (коэффициент Пуассона); уг - коэффициент остаточных газов;

8 - безразмерный параметр;

е - геометрическая степень сжатия; £е- эффективная степень сжатия;

- степень превращения реагирующего вещества; г\у- коэффициент наполнения цилиндра; <р - угол ПКВ; 6 - безразмерная температура;

9 - температура в ЛО;

к - коэффициент температуропроводности;

Х = г/1- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

Я - коэффициент теплопроводности;

ц- отношение молекулярных масс;

V - число молей;

% - безразмерная координата;

л - относительное давление;

т1е=ре= Ре/р. - максимальное давление взрыва в закрытом сосуде; р - плотность;

т - характерное время процесса; х - задержка воспламенения; х - безразмерное время; ф- угол ПКВ;

ц>г- продолжительность подачи топлива (по углу ПКВ); со- относительный объем.

Индексы О- начальное состояние; О- относится к окружающему воздуху; 1 - момент начала подачи топлива; а - параметры в момент закрытия впускного клапана; Ъ - относится к продуктам сгорания; е- конечное состояние; /- относится к топливу; /- начальное состояние; у- относится к 7-му компоненту смеси; к- относится к поступающему (наддувочному) воздуху;

относится к процессу испарения; и- относится к свежей смеси.

ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность работы. Моделирование и оптимизация процессов горения топлива является фундаментальной проблемой, имеющей теоретическое и практическое значения для повышения надежности, экономичности и экологической безопасности дизелей.

Моделированию и оптимизации рабочих процессов ДВС посвящены работы Н.М. Глаголева, Б.М. Гончара, И.И. Вибе, О.Г. Красовского, М.Г. Круглова, P.M. Петриченко, Н.К. Шокотова, Н.С. Ханина, В.Д. Саха-ревича, Н.Х. Дьяченко, В.З. Махова, Ю.Б. Свиридова, Н.Ф. Разлейцева, A.C. Куценко, С.А. Батурина, Н.П. Третьякова, В.А. Звонова, А.И. Толс-това, В.П. Карпова, О.Н. Лебедева, Д.Д. Матиевского, В.А. Синицына, H.A. Иващенко, Р.З. Кавтарадзе и многих других отечественных и зарубежных ученых [1-25].

Несмотря на то, что моделированию рабочих процессов поршневых двигателей посвящено значительное число работ, процессы самовоспламенения в дизелях, математические модели и методы расчета разработаны недостаточно. Например, для задачи расчета задержки воспламенения (периода индукции) топлива в дизеле не сформулирована математическая модель, адекватно учитывающая основные физико-химические особенности процесса. Поэтому в настоящее время период индукции в дизеле определяется либо экспериментально, либо исключительно на основе эмпирических формул, имеющих ограниченное применение и недостаточно высокую точность.

Объект исследования - рабочий процесс дизеля.

Предмет исследования - самовоспламенение в дизеле - задержка воспламенения топлива.

Цель работы - развитие существующих представлений о самовоспламенении в дизеле и методов определения периода индукции путем раз-

работки математических моделей и численного моделирования задержки воспламенения топлива на основе глобальной химической кинетики. Задачи исследования

Как известно, рабочее тело в дизеле воспламеняется от сжатия, поэтому рассматриваемая задача относится к теории теплового взрыва (ТВ) [26-40].

Для численного моделирования воспламенения топлива в дизеле необходима математическая модель, построение которой возможно лишь после принятия гипотезы о месте локализации области самовоспламенения -локального объема (ЛО).

Впрыскиваемое топливной форсункой в цилиндр дизельное топливо (ДТ) нарушает однородность рабочего тела (РТ) и требуют рассмотрения усложненной математической модели (ММ).

Присутствие в задаче химических реакций требует знаниея макрокинетики ДТ и более точного расчета исходного состава газов.

Поэтому, с учетом уже достигнутых результатов в рассматриваемой области и в теории ТВ, необходимо решить следующие задачи:

1) рассмотрения самовоспламенения ДТ - задержки воспламенения в дизеле в свете современной теории ТВ и периоде индукции воспламенения топлива как задачи о самовоспламенении при адиабатическом сжатии;

2) самовоспламенения топливно-воздушной смеси в дизеле (как целого) в качестве исходной для постановки уточненной задачи о задержке воспламенения и задачи определения констант макрокинетики ДТ;

3) создания базовой математической модели динамики развития топ-ливно-воздушного факела дизеля как тела переменной массы для обоснования гипотезы о месте локализации Л О - очага воспламенения в дизеле;

4) разработки математической модели и компьютерной программы расчета периода индукции как задачи о самовоспламенении ЛО и определения констант макрокинетики ДТ путем решения обратной задачи о за-

держке воспламенения топлива с использованием собственных экспериментальных данных;

5) развития математической модели воспламенения ДТ в JIO при использовании аккумуляторной системы топливоподачи типа Common Rail (CR), разработки компьютерной программы для численного моделирования периода индукции в дизеле и уточнения констант макрокинетики ДТ.

Научная новизна (положения, выносимые на защиту).

• Построены математические модели и разработаны компьютерные программы для численного моделирования задержки воспламенения топлива в дизеле с классической и аккумуляторной системами топливоподачи, как задачи о самовоспламенения J10 на внешней границы факела.

• На основе экспериментальных данных стендовых исследований определены константы макрокинетики ДТ, численным решением обратной задачи самовоспламенения топлива в дизелях с классической и аккумуляторной системами топливоподачи.

• Численное моделирование показало, что самовоспламенение в дизеле происходит в условиях околостехиометрической смеси (со сдвигом в бедную область), однако при низких энергиях активации химической реакции в тяжелых углеводородах возможно воспламенение богатых смесей.

Практическая ценность работы. Полученные в работе расчетно-программные комплексы позволяют моделировать процессы самовоспламенения топлива в дизелях на стадии их проектирования и доводки.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется использованием достоверных результатов других авторов и современных мировых достижений в рассматриваемой области, проведением натурных экспериментальных исследований с применением надежных экспериментальных методик и апробированных методов численного моделирования.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на

конференциях различного уровня: Всероссийской научно-техн. конф. «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред» (Барнаул, АлтГУ, 1996); 55-й и 57-й научно-технических конф. студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического унта (Барнаул, АлтГТУ им. И.И.Ползунова, 1997 и 1999); VI Междунар. на-учно-практ. семинаре «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС» (Владимир, ВладГУ, 1997); Междунар. научно-техн. конф., посвящ. 100-летию создания 1-го Российского дизеля «Совершенствование быстроходных ДВС» (Барнаул, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1999); V Междунар. школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2000); II Междунар. конф. «Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов» (Барнаул, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2000); Междунар. научно-практ. конф. «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения» (Челябинск, ЮУрГУ, 2003); Всероссийской научно-практ. конф. с междунар. участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» - ЭЭТПЭ-2007 (Барнаул, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2007); Международной конф. Двига-тель-2010, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010); Юбилейной научно-техн. конф. «5-е Лука-нинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, МАДИ, 2011); III Всероссийской научно-практ. конф. «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, Самарский областной дом науки и техники, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 работы, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованном ВАК, 8 статей в других периодических изданиях и специализированных сборниках, 3 доклада и 5 тезисов докладов на конференциях различного уровня и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ [41-63].

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ).

Научный руководитель - заведующий лабораторией физики и химии горения газов Института химической кинетики и горения СО РАН, профессор АлтГТУ, д.т.н., доц. Коржавин Алексей Анатольевич.

1 ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА И ПРОБЛЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ

1.1 Процессы самовоспламенения в поршневых двигателях и теория теплового взрыва

В поршневых двигателях внутреннего сгорания можно выделить две основные задачи, связанные с процессом самовоспламенения горючего газа (топливно-воздушной смеси). Это, во-первых, задача о задержке воспламенения топлива в дизеле и, во-вторых, задача о самовоспламенении смеси перед фронтом пламени в ДВС с искровым зажиганием. Обе эти задачи являются задачами самовоспламенения газа при адиабатическом сжатии, либо поршнем (первая задача), либо поршнем и расширяющимися продуктами фронтального горения (вторая задача). Теоретические основы процессов самовоспламенения заложены в теории теплового взрыва (ТВ).

Классическая теория теплового взрыва развита в работах отечественных ученых H.H. Семенова [64-67], О.М. Тодеса [68, 69] и Д.А. Франк-Каменецкого [70-74]. Результаты этих исследований рассмотрены и обобщены в тематических обзорах и монографиях [67, 74-83]. Кратко остановимся на некоторых ее результатах, отметив вначале, что классическая теория ТВ подразделяется на стационарную теорию ТВ (Д.А. Франк-Каменецкого) и нестационарную теорию ТВ (H.H. Семенова).

Стационарная теория теплового взрыва. В стационарной теории ТВ отсутствует время процесса и основное уравнение теплового воспламенения запишется в виде баланса выделившегося в результате химической реакции в некотором элементарном объеме и унесенного из него теплопроводностью

_ Е

divXgradT = -Qze RT , (1.1)

или при постоянной теплопроводности

е

Ат = -^ге кт, (1.2)

^2 ^2

где А = V2 =-+-+--оператор Лапласа (набла-квадрат).

Эх ду дг

Стационарная теория ТВ Д.А. Франк-Каменецкого основана на предположении, что горючая смесь неподвижна, тепловые потоки определяются теплопроводностью реагирующего вещества и пропорциональны градиенту температуры и химическая реакция протекает по объему сосуда неравномерно. Температура стенок реакционного сосуда принимается постоянной (физический смысл его состоит в бесконечной теплопроводности материала стенок). Состав смеси считается неизменным, таким же, каким он был до начала реакции, хотя очевидно, что по мере ее протекания он должен изменяться. Тепловой взрыв в рамках этой теории рассматривается как наступление невозможности существования стационарного протекания реакции в сосуде, при котором тепловыделение полностью компенсируется теплоотводом в стенки.

Рассмотрение стационарного режима протекания в сосуде экзотермической химической реакции вблизи предела взрыва и пренебрежение при этом выгоранием реагирующего вещества допустимо только, если изучать тепловой взрыв как промежуточную асимптотику более общей нестационарной постановки задачи.

Рассмотрим для простоты изложения случай, когда скорость химической реакции определяется только температурой Т и концентрацией А одного реагирующего компонента. Основными уравнения�