автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Газодинамическая модель послойного смесеобразования в цилиндре двигателя

5

1. Моделирование газодинамических процессов в цилиндре двигателя внутреннего сгорания

1.1 Основные задачи математического моделирования процессов в ДВС

1.2 Обзор конструкции систем впрыска топлива

1.3 Анализ методов расчета газодинамических параметров в цилиндре двигателя

1.3.1 Моделирование течения в цилиндре в квазистационарной постановке задачи (термодинамический расчет)

1.3.2 Одномерное течение газа в цилиндре

1.3.3 Двух- и трехмерное течение газа

1.3.4 Численные методы решения уравнения газовой динамики

1.4 Выводы и постановка задачи 28 2. Методика расчета газодинамических процессов в цилиндре двигателя

2.1. Основные допущения физико-математической модели внутрицилиндровых процессов

2.1.1 Двумерная постановка

2.1.2 Модель газовой среды

2.1.3 Состав газовой среды

2.2. Численный метод крупных частиц 32 2.2.1.Описание метода 33 2.2.2.Метод крупных частиц для решения уравнений Навье-Стокса

2.3. Особенности реализации метода применительно к внутренним течениям газа в цилиндре двигателя

2.3.1.Постановка граничных условий

2.3.2. Расчёт подвижной границы

2.3.3.Трехкомпонентный состав смеси

2.3.4.Интегральные данные по цилиндру

2.4. Методика расчета процесса впрыска газа в цилиндр двигателя

2.5. Начальные условия, алгоритм и блок-схема программы расчета нестационарного течения рабочего тела в цилиндре ДВС

2.6. Программный комплекс расчёта движения рабочего тела в цилиндре двигателя

3. Проверка достоверности методики расчета нестационарного течения рабочего тела в цилиндре двигателя внутреннего сгорания

3.1. Тестирование методики расчёта подвижной границы

3.2. Одномерное решение задачи движения газа в цилиндре

3.3. Моделирование затопленной струи

3.4. Сравнительные расчеты местного сопротивления

3.5. Экспериментальное исследование течения воздуха в цилиндре двухтактного двигателя

3.6.Апробационные расчеты, проведенные с использованием комплекса STAR-CD

4. Расчетное исследование внутрицилиндровых процессов в четырехтактном двигателе с непосредственным впрыском газа 112 4.1 Влияние формы камеры сгорания на возможность осуществления расслоения топливного заряда

4.2 Определение давления впрыска

4.3 Определение продолжительности впрыска

4.4 Исследование влияния опережения впрыска на характер и качество расслоения на различных мощностных и скоростных режимах

4.5 Выводы 155 Заключение 157 Литература

Современный мир невозможно представить без двигателей внутреннего сгорания. ДВС применяются практически во всех отраслях промышленности. Двигатель внутреннего сгорания был изобретен более века назад и за это время очень сильно изменился, становясь более эффективным, мощным и надёжным.

Растущие цены на энергоносители заставляют производителей выпускать высокоэкономичные автомобили. Кроме того, к современным двигателям внутреннего сгорания предъявляются жесткие требования по экологической безопасности. Все это ставит перед необходимостью искать новые пути организации рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания.

Одной из наиболее актуальных задач в двигателестроении является создание двигателей с послойным смесеобразованием при непосредственном впрыске топлива в цилиндр. В этом направлении достигнуты значительные успехи. Так бензиновые двигатели, оборудованные такой системой питания, имеют низкий расход топлива и удовлетворяют жестким экологическим требованиям EURO III. Это объясняется тем, что такой способ смесеобразования позволяет эффективно сжигать топливно-воздушные смеси с коэффициентом избытка воздуха больше 2.

Одновременно всё больше внимания уделяется использованию в двигателях природного газа, что позволяет решить проблемы связанные с дефицитом жидкого топлива и с ужесточением экологических требований к двигателям. Применение послойного смесеобразования в двигателе, работающем на газовом топливе, позволяет еще более развить эти преимущества.

На основании изложенного можно сделать вывод о безусловной актуальности работ, связанных с анализом послойного смесеобразования в газовых двигателях.

Одной из основных проблем является организация движения воздушного заряда в цилиндре двигателя, которое должно обеспечить создание в районе свечи зажигания зоны с обогащенной смесью.

Изучение процессов внутри цилиндра возможно при помощи натурного эксперимента, однако это требует очень больших затрат времени и средств. Более доступным является численный эксперимент с применением апробированных математических моделей. Он позволяет получить все необходимые параметры процессов с достаточной степенью точности и при сравнительно малых затратах.

В ходе работы над данной темой была разработана и реализована с помощью метода крупных частиц математическая модель двумерного нестационарного течения сжимаемого газа в цилиндре ДВС на тактах выпуска, наполнения, сжатия и смесеобразования.

Разработанный программный комплекс позволяет значительно сократить объём опытно-конструкторских и исследовательских работ при создании новых образцов двигателей.

На защиту выносятся:

- новые данные о газодинамических процессах происходящих в четырёхтактном газовом двигателе с послойным смесеобразованием.

- математическая модель двумерного нестационарного течения сжимаемого газа в цилиндре ДВС на тактах выпуска, наполнения и сжатия и смесеобразования.

4.5. Выводы по главе.

Для осуществления расслоения впрыснутого топлива необходимо взаимно согласовать несколько различных факторов.

1) Основное влияние на процесс расслоения топлива оказывает форма камеры сгорания. Конфигурация днища поршня определяет характер движения рабочего тела в цилиндре двигателя.

Предложенная форма камеры сгорания позволяет обеспечить надежное воспламенение при работе двигателя с коэффициентом избытка воздуха от 0,9 до 2,3.

2) Давление впрыска необходимо минимизировать, однако уменьшение давления ниже определенного предела приводит к уменьшению интенсивности подачи топлива и ухудшению процесса расслоения, особенно при малых цикловых подачах.

156

3) Корректировка угла опережения впрыска является необходимым условием при работе двигателя на различных режимах. Угол опережения впрыска определяет момент перемещения в районе свечи зажигания топливно-воздушной смеси требуемого состава для надёжного и эффективного воспламенения. Опережение впрыска необходимо согласовывать с опережением зажигания. Таким образом, при возникновении необходимости корректировки опережения угла зажигания в зависимости от скоростного и мощностного режима, необходимо также скорректировать угол начала подачи топлива.

158

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработанная математическая модель, её алгоритмическое и программное обеспечение для расчета двумерного нестационарного течения сжимаемого газа в цилиндре ДВС на тактах выпуска, наполнения, сжатия и непосредственного впрыска газа, позволяет описывать развитие во времени пространственной структуры внутрицилиндровых течений рабочего тела, которая характеризуется динамикой изменения полей распределения давления, плотности, температуры, скоростей и концентраций составляющих его компонентов.

2. На основе проведенного всестороннего тестирования расчетной методики подтверждена возможность качественного и количественного моделирования газодинамических процессов в цилиндре двигателя с различной конфигурацией камеры сгорания.

3. Результаты численного эксперимента позволили проанализировать взаимодействие между основными процессами в камере сгорания и поиске практических путей совершенствования рабочего процесса. Установлено влияние формы камеры сгорания и параметров впрыска газа на концентрационные поля газовоздушной смеси. Показана возможность организации послойного смесеобразования при непосредственном впрыске газа в цилиндр двигателя с искровым зажиганием.

4. Для двигателя размерностью S/D 9,2/9,2 подобрана форма камеры сгорания, расположение форсунки, закон подачи газа, обеспечивающие послойное смесеобразование и воспламенение газовоздушной смеси в широком диапазоне

1. Дьяченко Н.Х., Костин А.К. и др. Теория двигателей внутреннего сгорания. П.: Машиностроение —1974 —552 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Вырубов Д.Н. Иващенко Н.А. М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.

3. Петриченко P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания. Л.:Изд-во ЛПИ, 1983.-241 с.

4. Красовский О.Г., Амердиев А.А., Чернов Ю.Е. Исследование процесса наполнения высокооборотного четырехтактного дизеля методом моделирования на ЭВМ//Двигателестроение. — 1980 — №8 — с. 16.

5. Красовский О.Г., Гончар Б.М. Численное моделирование процессов в дизелях//Труды ЦНИДИ. Л. —1984 — с. 68.

6. Моделирование рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания на ЭВМ. Куценко А.С. Киев: Наук, думка , 1988 -104 с.

7. Математическое моделирование и исследование процессов в ДВС. Под. ред. В.А. Вагнера. Изд-во АлтГТУ - Барнаул. -1997.-198 с.

8. КамкинС.В., Вязьменская Л.М. К проблеме численного моделирования процессов в ДВС//Двигателестроение. -1987 — №4 — с. 15—.

9. Круглов М.Г., МедновА.А. Газовая динамика комбинированных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1988—360 с.

10. Бекнев B.C., Панков О.М., Янсон Р.А. Газовая динамика газотурбинных и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение —1975 —392 с.

11. Хейвуд Д.В. Гидродинамика рабочих процессов цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Фримановская лекция 1986 г. //Тр. амер. о-ва инж.-мех. Сер. теоретические основы инженерных расчетов —1987 —№1 — с. 171—.

12. Мундштуков Д.А., Зацеркпяный Н.М. Модель газодинамического процесса в ДВС//Двигатели внутреннего сгорания — 1978—Вып. 28—с. 14—.

13. Зацеркпяный Н.М., Мундштуков Д.А. Особенности некоторых математических моделей движения среды в ДВС//Двигателвстроение —1980 —№8 — с. 21—.

14. Давыдов Ю.М., Круглов М.Г., Меднов А.А. и др. Численное исследование течений в ДВС методом крупных частиц. М.: ВЦ АН СССР-1983—60 с.

15. Гришин Ю.А., Клименко С.А., Круглов М.Г. Метод расчета нестационарного одномерного течения газа. // Двигателе-строение. 1982. №1. - с. 14-16.

16. Бравин В.В., Исаков Ю.Н., Кочинев Ю.Ю., Унру П.П. Структура плоского нестационарного течения газа в выпускном канале быстроходного дизеля//Рабочие процессы компрессоров и установок с ДВС, Межвузовский сборник Л.: 1987. с. 55—.

17. Артюхов А.В., Бравин В.В., Исаков Ю.Н. Методика расчета двумерного нестационарного течения газа в выпускных системах ДВС //Двигателестроение —1985 —№11 -с. 55—.

18. Березин С.Р., Агапитов О.Н. Математическая модель двумерного осесимметричного турбулентного движения газа в цилиндре двигателя с противоположно-движущимися поршнями //Двигателестроение1985 —№4 — с. 5—.

19. Камкин С.В., Вязьменская J1.M. Численное описание газодинамических процессов в ДВС по методу С.К.Годунова//Сб.

20. Судовые энергетические установки. М.: Транспорт—1987 — с. 36—.

21. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982 - 392 с.

22. Ши Д. Численные методы в задач теплообмена: Пер. с англ. М.: 1988.-544 с.

23. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука, 1982 - 392 с.

24. Д. Андерсон, Дж. Томнехим, Р. Плетчер. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. -384 с.

25. Гунта А. Закрученные потоки: Пер. с англ. М.: Мир, 1987. - 588 с.

26. Лойцянский Л.Г. Механика жидкостей и газов. 5-е изд., перераб. - М.: Наука, 1978. - 736 с.

27. Зауер Р. Нестационарные задачи газодинамики. М.: Мир, 1969.-230 с.

28. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: «Наука», 1976, 888 с.

29. Артюхов А.В., Бравин В.В., Исаков Ю.Н. Численное исследование структуры потока при нестационарном течение/Известия ВУЗов. Сер. Энергетика, №10 —1985, — с. 98.

30. Годунов С.К., Забродин А.В. и др. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука—1976 — 400 с.

31. Давыдов Ю.М., Скотников Ю.П. Метод крупных частиц: вопросы аппроксимации, схемной вязкости и устойчивости. М.: ВЦ АН СССР —1978 —28 с.

32. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.-Л.: Госэнергоиз-дат—1967—671 с.

33. Жуков А.И. Применение метода характеристик к численному решению одномерных задач Згазовой динамики. М.: АН СССР —1960 —150 с.

34. ИдельчикИ.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение —1975 —560 с.

35. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергия —1968 —472 с.

36. Рихтмайер Р., Мортон К. Разностные методы решения краевых задач.— М.: Мир, 1972, 420 с.

37. Годунов С. К, Рябенький В. С. Разностные схемы (введение в теорию).— М.: Наука, 1973, 400., 2-е изд., 1977, 440 с.

38. Ашратов Э. А. Расчет осесимметричной струи, вытекающей из сопла, при давлении в струе, меньшем давления в окружающей среде.— Изв. АН СССР: Механ. жидк. и газа, 1966, № 1, с. 158—161.

39. Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М. Механика сплошных сред.— М.: Гостехиздат, 1953, 788 с.

40. Хант Д. Н. Динамика несжимаемой жидкости.— М.: Мир, 1967.'

41. Миллионщиков М. Д. Турбулентные течения в пограничном слое и трубах.—М.: Наука, 1969, 51 с.»

42. Бэтчелор Дж. К. Теория однородной турбулентности.— М.: ИЛ', 1955.

43. Госмен А. Д., Пан В. М., Ранчел А. К., Сполдинг Д. Б., Вольфштеин М. Численные методы исследования течений вязкой жидкости.— М.: Мир, 1972, 326 с.

44. Балакин В. Б. Метод сквозного счета разрывных решений уравнений газовой динамики. II.— Инженерно-физический журнал, 1964, т. VII, № 11, с. 62—66.

45. Станюкович К П. Неустановившиеся движения сплошной среды.— М.: Наука, 1971, 855 с.

46. Христианович С. А., Рыжов О.С. О нелинейном отражении слабых ударных волн.— Прикл. матем. и механ., 1958, 22, в. 5, с. 586—589.

47. Попов Ю. П., Самарский А. А. Полностью консервативные разностные схемы.— Ж- вычисл. матем. и матем. физ., 1969, 9, №4, с. 953—958.

48. Попов Ю. П., Самарский А. А. Полностью консервативные разностные схемы для уравнений газодинамики в переменных Эйлера.— Ж- вычисл. матем. и матем. физ., 1970, 10, №3, с. 773—779.

49. Белоцерковский О. М. Численный эксперимент в газовой динамике.— В сб.: Численные методы механики сплошной среды.— Новосибирск: 1975, 6, № 4,. с. 10—20.

50. Давыдов Ю. М. Расчет потоков газа, обладающих молекулярной вязкостью, методом «крупных частиц».— В сб.: Гидромеханика.— Киев: Наукова думка, 1980, №42, с. 34— 43.

51. Белоцерковский О. М., Гущин В. А., Щенников В. В. Метод расщепления в применении к решению задач динамики вязкой несжимаемой жидкости.— Ж- вычисл. матем. и матем. физ., 1975, 15, № 1, с. 197—207.

52. Гущин В. А, Щенников В. В. Об одном численном методе решения уравнений: Навье — Стокса.— Ж- вычисл. матем. и матем. физ., 1974, 14, №2, с. 512—520.

53. Белоцерковский О. М., Яницкий В. Е. Статистический метод «частиц в ячейках» для решения задач динамики разреженного газа.— Ж- вычисл. матем. и< матем. физ., 1975, 15, №5, с. 1195—1208 (ч. I) и №6, с. 1553л1567 (ч. II).

54. Белоцерковский. О. М., Яницкий В. Е. Статистическое моделирование течений идеального одноатомного таза.— В сб.: Турбулентные течения.— М.: Наука, 1977. с. 34—42.

55. Кубо Р. Статистическая механика.—: М.: Мир, 1967.

56. Давыдов Ю. М. Многопараметрические схемы расщепления для решения пространственно-трехмерных нестационарных задач. — Докл. АН СССР, 1979, 247, № 6, с. 1346—1350.

57. Давыдов Ю. М. Численное экспериментирование методом «крупных частиц» (теоретические основы численного эксперимента и его реализации). — В сб.: Прямое численное моделирование течений газа. — М.: ВЦ АН СССР, 1978, с. 65 — 95.

58. Прямое численное моделирование течений газа. — Сб. статей под ред. Белоцерков-ского О. М.— М.: ВЦ АН СССР, 1978, 173 с.

59. Давыдов Ю. М., Скотников В. П. Исследование дробных ячеек в методе «крупных частиц».- М.: ВЦ АН СССР, 1978, 72 с.

60. Давыдов Ю. М., Скотников В. П. Дифференциальные приближения разностных схем.— М.: ВЦ АН СССР, 1978,72с.

61. Давыдов Ю. М., Скотников В. П. Метод «крупных частиц»: вопросы аппроксимации, схемной вязкости и устойчивости. — М.: ВЦ АН СССР, 1978, 72 с.

62. Давыдов Ю. М., Скотников В. П. Анализ метода «крупных частиц» с помощью дифференциальных приближений. — М.: ВЦ АН СССР, 1979, 72 с.

63. Давыдов Ю. М. Исследование устойчивости разностных схем на границах расчетной области методом дифференциальных приближений. — Докл. АН СССР, 1979, 244, №6, с. 1298—1302.

64. Давыдов Ю. М. Структура аппроксимационной вязкости. — Докл. АН СССР, 1979, 245, №4, с. 812—815.

65. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. — М.: Наука, 1977,456 с.65. 223. Яненко Н. Н., Шокин Ю. И. О групповой классификации разностных схем для систем уравнений газовой динамики. — Тр. Матем. ин-та АН СССР. — М.: Наука, 1973, 122, с. 85—97,

66. Самарский А. А. Теория разностных схем. — М.: Наука, 1977.

67. Самарский А. А., Г у л и н А. В. Устойчивость разностных схем. — М.: Наука, 1973, 416 с.

68. Шокин Ю.И. Численные методы газовой динамики. Инвариантные разностные схемы. — Новосибирск: НГУ;1977, 84 с.

69. Яненко Н. Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. — Новосибирск: Наука, 1967, 195 с.

70. Яненко Н. Н. Численное решение задач механики жидкости. — В сб.: Тр. Ill Все-союзн. семинара по моделям механики сплошной среды. — Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1976, с. 177—199.

71. Анучина Н. Н., Бабенко К. И., Годунов С. К. и др. Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов задач математической физики. Под ред. Бабенко К. И,— М.: Наука, 1979, 296 с. К

72. Калиткин Н. Н. Численные методы. Под ред. Самарского А. А. — М.: Наука, 1977.

73. Шокин Ю. И. Метод дифференциального приближения.— Новосибирск: Наука, 1979.

74. В сб.: Современные проблемы вычислительной математики и математической физики. — М.: Наука, 1982.

75. Пейре Р., Тейлор Т.Д. Вычислительные методы в задачах механики жидкости. Л.: Гидрометеоиздат. 1980—320 с.

76. Седов Л.И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. М.: Наука —1981 —448 с.

77. Семушкин С.А. Консервативные граничные условия для метода крупных частиц//Препринт ин. прикп. матем. им. М.В.Келдыша АН СССР, М., —1980 —№61 —17 с.

78. Хескестад. Течение в плоском прямоугольном колене//Тр. амер. о-ва инж. -мех. Сер. Теоретические основы инженерных расчетов —1971 —ТЗ — с. 86—.

79. Чжен П. Отрывные течения. М.: Мир. Т.1 —1972—303 с., Т. 2 —1973 —280 е., Т. 3 —1973 —333 с.

80. Endo М., Iwamoto J. A numeral study of pulsating flow in duct with a janction//SAE Techn. Pap. Ser.-1991 —№911783. C7 1—.

81. Errera M.P., Dutoya D. Mathilda —un code multidimensionnel de afrothermique//Entropie. —1991 —27 —№162 — c. 3—

82. Hardenberg H., Daudel H. Die Optimierung der Ventil und Sitzringgeometrie an Ein —und Auslaskanalen//MTZ. —1973. — 34. N5 —s. 143—.

83. Menne R., Pischinger F. Verbesserung des effektiven Wirkungsgrades durch Opimierung des Auslaskanals an einem hohaufgeladenen Viertakt -Diselmotor//MTZ. —1984—№1—s. 13.