автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Математическое моделирование и идентификация рабочих процессов ДВС на альтернативных топливах

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОСТРОЕНИЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

На правах рукописи

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ЛВС НА АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВАХ

05,14.05. - теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации па соискание ученой степени доктортехнических наук

РГб од

> <-) !;| ' -

I J ;

Куценко Александр Сергеевич

о

Харьков 1995

Диссертация является рукописью. Padora выполнена в Институте пройдем машиностроения HAH Украины.

Официальные олйоненты: доктор технических наук, профессор Симбирский Дмитрий Фёдорович;

дктор технических наук, . профессор Звонов Василий Алексеевич;

доктор технических наук, профессор Зацеркляный Николай Мелентьевич.

Ведущее предприятие - Харьковское конструкторское

depo по. двигателестроению "Министерства машиностроения^ ВПК и конвероии.

г / ' U :vi/" Защита состоится _____ 1396 г. bJl„_ час.

на заседании специализированного совета Д 02.18.03 при

Институте проблем машиностроения HAH Украины С310046, Харьков,

ул. Дм.Пожарского, 2/10). -

С диссертацией мояйо ознакомиться в библиотеке Института

проблем машиностроения HAH Украины.

Автореферат разослан "JJrL" 1S96 г

Ученый секретарь специализированного совета

^ ., "Дедков Г. В.

Обцая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Анализ мировых тенденций решзния энергоэкологической проблемы автомобильного транспорта применительно к условиям Украины показывает, что наиболее радикальным путем снижения импорта жидких топлив нефтяного происхождения и улучшения экологической обстановки в крупных населенных пунктах является перевод автомобильного транспорта на альтернативные топлива в рамках потенциально располагаемых энергосырьевых ресурсов. Исходя из сырьевой базы и структуры аграрно- промышленного комплекса,'сложившейся в Украине, наиболее перспективными из альтернативных топлив следует считать водород и водородсодержавде газы - коксовый и синтез-газ, являющиеся отходами металлургических и. химических производств, генераторные газы - продукты газификации угля, а также спирты - метанол и этанол.

Эффективность использования альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания (ЛВС) в значительной мере зависит от организации рабочего процесса, вклвчасцей выбор состава топливо-воздушной суесг, способа регулирования мощности, угла опережения зажигания и других факторов, злиябдих на техншсо- экономические показатели двигателя.

Существующие методы расчетно- теоретических исследований рабочих процессов ЛВС в силу их исключительной сложности, в значительной степени опираются на эмпирические зависимости, полученные в результате экспериментов на Двигателях разлитой размерности и быстроходности, работающих на традиционных топливах, производимых из нефти, и природном газе. ИсшэЛьэуемые на Йракти-ке математические модели рабочих процессов ЛВС на традиционных топливах не адаптированы к широкому спектру составов Альтернативных топливовоздушных смесей и не используют в полной мере поте-

нциальные возможности современных ЭВМ, а также методы вычислительной математики, позволяющие учесть такие факторы как диссоциации продуктов сгорания, кинетику образования токсических компонент,. неоднородность поля температур в цилиндре двигателя, геометрию камеры сгорайия. Существенным пробелом в теории рабочего процесса ДВС является глубокий разрыв между математическими моделями синтеза индикаторной диаграммы и обработки экспериментальных индикаторных диаграмм с целью идентификации неопределенных параметров, характеризующих процессы сгорания и теплопередачи. Особое значение преодоления а?ого разрыва приобретает при исследовании рабочих процессов ЛВС? на альтернативных топливах в связи с отсутствием достагочгто объема достоверных экспериментальных данных.

В связи с этим назрела необходимость в разработке современной методологии моделирования рабочих процессов ДВС и идентификации неизвестных параметров модели по экспериментальным данным, ориентированной на широкий спектр топливовоздушных композиций, максимально использующей возможности современных ЭВМ и не выходящей далеко за рамки принятой на практике системы параметров, описывающих исходные данные и выходные показатели рабочих процессов ДВС.

, С учетом этого в представленной к защите диссертации разработаны математические модели рабочих процессов ДВС и идентификаций Параметров модели по экспериментальным данным, ориентированные на широкий спектр альтернативных>энергоносителей, приведены примеры применения разработанных методов к реальным задаем конвертирования автомобильных ДВС на водород и метанол, что позволяет квалифицировать диссертационную работу актуальную, направленную на решение крупной научно- технической проблемы, имеющей важное прикладное значение.

Цель н обоснование задачи исследования«

Заключается в создании универсальных математических моделей рабочих процессов поршневых ЛВС с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием, используювщх произвольные альтернативные топлива, а также в разработке методов идентификации законов выгорания топлйвовоздушных смесей и теплопередачи на основе экспериментальных исследований. Проведение на базе разработанных математических моделей расчетно-теоретических оценок технико-экономических и экологических характеристик различных .типов энергоустановок автомобильной техники и создание экспериментальных образцов.

Обоснование теоретической и практической ценности исследования и его научная новизна.

Теоретическая ценность диссертационной работы определяется новыми методиками расчетко- экспериментального исследования рабочих процессов ДБС на' альтернативных топливах, позволяющими учесть такие факторы как диссоциация продуктов сгорания, кинетика образования оксида азота, температурный градиент в надпоршне-:>ск пространстве, форма поверхности камеры сгорания. Предложены концепция дуальности алгоритмов моделирования и идентификации рабочего процесса, а также его представление в виде энергегичес-сой диаграммы.

Практическую ценность определяет комплекс универсальных грограш моделирования и идентификации рабочего процесса, совмещенный с базой данных по термодинамически« свойствам индивиду-

« ■

шьных веществ, позволяющий прогнозировать технике- эксномичес-:ие и экологические показатели-ЛВС на альтернативных топлявах. .омплекс использован в качестве элемента системы авТоматизиро-анного проектирования ДВС, а также при экспериментальном кон-ертировании автомобильной техники на альтернативные топлива.

Научнус новизну составляют:

1. Концепция представления рабочего процесса поршневого ДВС в виде энергетической диаграммы, наглядно отображающей все процессы превращения энергии, теплопередачи и работы в течении цикла.

2. Комплекс универсальных вычислительных модулей, позволяющих автоматизировать решение широкого круга прикладных задач, возникающих при математическом моделировании и идентификации параметров рабочих процессов поршневых ДВС, использующих произвольные топливоокислительные композиции.

3. Математическая модель рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием, основанная на объемном законе выгорания заряда, получаемом в результате гипотезы сферического распространения фронта пламени в камере сгораний заданной конфигурации. Модель предусматривает определение равноэ'еейих составов и температур в каждом последовательно выгорающем сферическом слое, а также концентраций оксида азота на основе кинетического механизма.

4. Концепция дуальности методой . моделирования и идентификации рабочего процесса, ощ деляющая степень соответствия мето-

I

да обработки индикаторной диаграммы й применимости результатов идентификации при синтезе индикаторной диаграммы. Предложен алгоритм идентификации закона выгорания топливовоздушной смеси, основанный на двухзонной модели с учетом диссоциации компоненте! продуктов сгорания, а также методика оценки коэффициентов теплоотдачи пр? сжатии, расширении и сгорании!

5. Ма:ематическая модель динамических процессов в системе "двигатель-металлогидридный аккумулятор водорода" с жидкостньн теплоносителем, позволяющая выбирать конструктивные параметр! пусковых металлогидридных элементов, обеспечивающие гарантиро ванный запуск и выход на установившийся режим металлогиврилно

бортовой системы хранения водорода.

6. Математическая модель динамических процессов в системе "двигатель-реактор конверсии метанола", позволяющая прогнозировать поведение ДВС на метаноле в нестационарных условиях, имеющих место при эксплуатации автомобильного транспорта.

Уровень реализации, внедрения научных разработок.

Работы, представленные в диссертации, выполнялись в соответствии с планом фундаментальных и прикладных научных исследований НАН Украины, а также в соответствии со Всесоюзной программой по решению научно- технической проблемы 0.85.03 "Создать и внедрить в народное хозяйство зЭД^мгивныд Методы и аппараты защиты воздушного бассейна от загрязнения вредными вецествами" (постановление ГШ ?? 440 ст 3.31.1973 г. И 1? 515/27 Сот 29.12. 1631 г.). Часть работ ьдаолняяась в соответствии с Национальной программой по критическим технологиям.

Результаты, научных исследований переданы: ГСКБ по автопогрузчикам С г. Львов), Поволжскому отделению Инженерной академии [г, Самара), ХКБД Сг. Харьков), ПО "Алтайэнерго" Сг. Барнаул), а также используются в учебном процессе для студентов, обучающихся * Харьковском' автомобильно- дорожном университете по специально-;ти "Двигатели внутреннего сгорания". .

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы до-ожены на научных конференциях: "Запита воздушного бассейна от агрязнений токсичными выбросами транспортных средств^ (Харьков, Шзш АН Украины - 1977, 1981 г. г.), IV Всесоюзной конференции о новой технике (Харьков, ХАИ - 1977 г.), II Всесоюзной конфе-рнция по новой технике (Москва, МАИ 1980 г.), всесоюзных конфе-рнциях: "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания" Москва, МАЛИ - 1982, 1686 г.г.), "Современный уровень и пути

совершенствашмя экономических и токсических показателей двигателей внутреннего сгорания" С^аиск, ЛМСИ - 1983 г.), "Высокий наддув поршневых двигателей и роторные двигатели" (Тбилиси, ИММаш АН Грузии - 1981 г.), на семинаре "Рабочие процессы в ДВС с ограниченным отводом тейяа" СНовосибирск, СО АН СССР - 1990 г.), на межотраслевом семинаре "Атомно-водородная энергетика и технология" (Москва, ИЯЭ - 1991 г.), на Всесоюзной научной конференций "Проблемы совершенств занйя рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания" (Москва, МАДИ 1986 г. 3, на объединенной конференции "Снижение выбросов оксида азота при сжигании жидких и газообразных топлив в энергетике я на транспорте" (Москва, ШАМ - 1989 г. 3, на конференция "Решение экологических проблем при создании й эксплуатации автомобильной и тракторной техники" (Челябинск, ЧПИ - 1990 г.), на III межреспубликанской конференции "Водородное катериаяоведение й химия гидридов металлов" (Кацивеяи - 1993 г.3.

Публикации и личный вклад автора.

По материалам диссертации опубликовано 37 научных работ, в том числе 1 монография (бег. соавторов в 1988 г.), 16 статей в периодических изданиях и тематических сборниках Сиз них 3 эа-рубежом) и 7 авторских свидетельств и патентов.

Личный вклад автора в работы, написанные в соавторстве, заключаются в сяедущем:

Работы 4,6,7,8,13,14,17. Постановка задач моделирования, разработка, основных алгоритмов для ЭВМ. 4

Работы 9,10,11,12, 18, 19, 20 , 21, 22 , 23 . 24. Проведение расчетно-теоретических оценок конструктивных параметров и технико- экономических характеристик энергоустановок транспортных средств на альтернативных топливах.

Работа 18. Обоснование применения водородсодержащих топлив

для автомобильных ДВС с целью улучшения их экономических Характеристик.

Работы 2,3. Вывод основных соотношений для КПД энергопрео-бразуюадх систем, состоящих из последовательно соединенных элементов. ' '■' •.'

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных литературных источников и 2 приложений. Работа содержит 241 стр. основного текста, до рисунков и 8 таблиц. ' .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ""''. '

В первой главе обоснованы предпосылки использования водо-родсодержащих газовых смесей в качестве топлива для автомобильного транспорта. Основным достоинством водородсодержащих газообразных топлив являются более широкие по сравнению о бензином концентрационные пределы воспламенения, что положительно влияет' на топливную экономичность двигателя и токсичность отработавших газов благодаря глубокому обеднению топливовоздушной. смеси на

частичных режимах. Немаловажным достоинством газообразных топлив следует считать их более высокую детонационную стойкость по сравнению с бензином, что позволяет повысить 'степень 'сжатия,' , а следовательно индикаторный и эффективный КПД двигателя.'- . 1 ■

Анализ теоретического цакла поршневого ДВС со сгоранием топливовоздушного заряда при постоянном объеме, отличающегося от цикла Отто различными рабочими телами на участках сжатия;и расширения дает следующее выражение для термического КПД т)^. '.-'■

Ч = \ ~ -¿Г17' ' Ш ., , :

где nt и 7)г - термические КПД циклов Отто с постоянными рабочи-

«1 веществами, имеющими показатели адиабаты Yi и на участках

сжатия и расширения соответственно, X - степень повышения давления при сгорании.

Анализ соотношения С1) показывает, что определявшим фактором в выражении для КПД является величина т^ - т.е. КПД цикла Отто, на основе продуктов сгорания. Последний, при фиксированной степени сжатия является функцией показателя адиабаты, который в свов очередь зависит от вольной доли трехатомных газов в продуктах сгорания

гэ = сЦ + 1 ^U.VÖa - ШЭД + U.ÜJ ' C23 где ß - отношение количеств атомов углерода и водорода в

условной формуле топлива, а - коэффициент избытка воздуха.

Характеристики изменения термического КПД теоретического цикла в зависимости от состава топлива и коэффициента избытка воздуха приведены на рис. 1. Из них следует, что основной аффект от обеднения топливовоэдушной смеси имеет место до а=2.5. Увеличение доли углерода в топливе также способствует повышен!«) КПД теоретического цикла.

Анализ различных способов организации смесеобразования в двигателях на газообразных и бинарных газожидкостных топлива* позволяет сделать вывод о необходимости использования комбинированного смесеобразования, сочетавшего в себе достоинства внешнего и внутреннего смесеобразования при взаимной частичной компенсации их недостатков. Получено выражение для теоретически возможной химической энергии заряда при . комбинированное смесеобразовании.

Р .

k ~Т~ К. 1 а + кт ПрИ а * «W

О в О 1

hT- "ТТ IL L +4L "РИ 1 «« < V

СЗ)

В о о Т

где Ь - химическая энергия единицы массы газообразного топлива;

Q

aQ - коэффициент избытка воздуха во внешне подготовленной снеси; RB, RT - газовые постоянные воздуха и топлива; Р , То - давление и температура топливовоздушной смеси на впуске; L - стехиометри-ческое отношение.

Газификация гадких топлив и, прежде всего, конверсия метанола, позволяет реализовать концепции термохимической регенерации энергии отработавших газов путем превращения ее части в дополнительную химическую энергию продуктов конверсии жидкого топлива. Получен наиболее общий вид выражения для КПД энергоустановки с регенерацией энергии отработавших газов.

4 = \ 1 - Н1 Д ) - о т) ' С4}

о о

где 1}0 - КПД базовой энергоустановки без учета регенерации, X - доля химической энергии отработавших газов, возвращаемой в рабочий цикл, а - доля механической энергии, затраченной на осуществление процесса регенерации.

В качестве переходного варианта рассматриваются газожидкостные топливные системы, позволяющие сочетать достоинства жидких и газообразных топлив. Исследования в этом направлении проводились и ранее в ИПМаш HAH Украины и в Институте газа HAH Украины. Их суть заключалась в комбинированной подаче жидного и газообразного топлив, а также их смесей для достижения требуемых характеристик по обеднению или по детонационной стойкости топливовоз-душных смесей. При этом одним из ограничительных факторов яеля-лось требование некоторого минимального бортового зап&за газообразного топлива, требующего для своего хранения баллонов высокого давления. В современных условиях целесообразно сформулировать и другую задачу, направленную на минимизацию расхода жидкого топлива за счет замены его части газообразным. В соответствии с такой постановкой получено соотношение, связывающее относитель-

нув дальность пробега между заправками х с экономией жидкого топлива автомобиля ?

1

т-="г

при

-г4г

С 5)

О < ? <

—при | ^ { < 1

где ( - отношение пробега при использовании только газообразного топлива к пробегу на жидком топливе.

Экономия бензина в соответствия с (5) при максимально возможном пробеге ¡¡*, при сохранении "бензинового" пробега и его половины ¡¡о в для автомобиля ЭИЯ-130 о 8-баллонноЙ системой хранения газа в зависимости от вида газовой компоненты приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Газовая компонента

Метан Водород Синтез-газ Коксовый газ

Íoмeнный Газ енераторный газ

0.31 0.12 0.13 0.19 0.03 0.06

0.43 0.14 0.15 0.24 0.03 0.07

0.90 0.28 0.30 0.48 0.10 0.14

Таким образом*в первой главе обоснована перспективность и актуальность применения альтернативных водородсодержащих топлив Для ДВС.

Во второй главе обоснован выбор методологии математического моделирования рабочих процессов ДВС йа альтернативных топли-вах. Многообразие альтернативных топлив с различными термодинамическими характеристиками топливовоздушного заряда и продуктов сгорания, высокие температуры, достигаемые при сгорании водородсодержащих газов, вызывающие диссоциацию отдельных компонентов продуктов сгорания, отсутствие данных по характеристикам тепло-

шделения, требует новых подходов к математическому моделирований рабочих процессов ДВС.

Существуют три основных подхода к разработке математичес-:ой модели сложных физико-технических систем, к разряду которых вносится поршневой двигатель внутреннего сгорания.

Первым подходом, полностью игнорирующим структуру процес-а, является метод "черного лишка", основанный на установлении кспериментальных зависимостей между конструктивными и управлявши, с одной стороны, и параметрами, характеризующими качестве-ние показатели рабочего процесса, с другой стороны. Для постро-ния таких моделей, как правило, применяется хорошо разработан-ый аппарат планирования эксперимента.

В противовес модели "черного ящика" мрдель абсолютно "про-рачного ящика" представляет собой бесконечномерное представле-ие рабочего процесса в виде системы дифференциальных уравнений частных производных, описывающих неравновесную термодинамически газовую смесь с переменным химическим составом. Эту систему гобходимо дополнить системой уравнений, описывающих теплопрово-юсть элементов конструкции, гидродинамику и теплообмен охлаж-1»щей жидкости в системе охлаждения, а также системой уравнений кзодинамики впускной и выпускной систем. Указанные подсистемы [фференциальных уравнений в принципе существуют, однако»их чис-чшое решение в полном объеме не представляется возможным.

Реальной основой для математического моделирования рабоче-процесса является блочная модель, состоящая из ря^а относи-льно независимых подсистем, связанных между собой в пространс-е и во времени конечным числом конструктивных и управляющих раметров. Наиболее узким местом при реализации блочных моделей ггяется процесс сгорания топливовоздушной смеси. Обычно в каче-ве моделей принимаются различные эмпирические и полузмпиричес-

кие зависимости, связывающие количество выгоревшего заряда с углом поворота коленчатого вала. Такие соотношения известны для определенных классов двигателей, использующих традиционные топлива, однако для альтернативных такие соотношения в большинстве случаев отсутствует. Более физически обоснованной представляется модель процесса бгорания, Ьсноваяная на гипотезе сферического распространения фронта пламен«. Такой подход позволяет учесть как геометрию камеры сгорания, а для получения закона выгорания заряда требуется только информация о турбулентной скорости сгорания.

Анализ различных подходов к проблеме моделирования отдельных -фрагментов рабочего процесса численными методами на ЭВМ с точки зрения их реальности, универсальности й адекватности реальному процессу предопределил выбор следующих основных типов парциальных моделей:

- двухзонная или многозонная модель процесса сгорания, основанная на объемном законе выгорания зарядй по сферической модели распространения пламени;

- равновесный состав продуктов сгорания и кинетический механизм образования оксида азота по каждой из рассматриваемых зон;

- теплопередача от различных зон рабочего вещества к элементам конструкции описываемая интегральным соотношением,. основанным на законе Ньютона- Рихмана, структура коэффициента теплоотдачи соответствует структуре, предложенной Бриллингом; Пфалумом, Эйхе-льбергом, Вошни, в виде степенной зависимости от температуры и давления рабочего вещества в цилиндре;

- термодинамические свойства индивидуальных веществ, составляющих рабочее тело, на различных этапах рабочего п оцесса содержатся в базе данных, обращение к которой позволяет выбрать любые топливоокислйтельные композиции.

- скорость истечения и массовый расход вещества через газораспределительные органы, а также перетекание между элементами энергоустановки, определяются на основании второго начала термодинамики, аналитическое выражение которого позволяет связать между собой начальное и конечное состояние вещества через его энтропию.

Основной задачей математического моделирования рабочего процесса ЛВС можно считать задачу синтеза его индикаторной диаграммы, которая является исчерпывающей характеристикой, содержащей основную информацию о процессе преобразования энергии в двигателе. Таким образом, задачу математического моделирования можно символически представить в виде отображения О

(r.G.U.X.Q) Р 4 (6)

где Г - множество конструктивных факторов, G * множество величин, определяющих термодинамические свойства веществ,; I) - множество режимных и управляющих факторов, ' X - параметры, определяющие закон выгорания топливовоздушного варяда, Q - множество величин, определяющих закон теплоотдачи ot рабочего тела к- элементам конструкции, Р - множество орййнат индикаторной диаграммы.

Численные значения элементов множеств Хи Q, как правило, определяются экспериментальными методами' путем индицирования двигателя и решения задачи идентификации, обратной в некотором смысле задаче моделирования и символически представимой в виде отображения Qtl • • о

CF.G.U.P) l£-v СХ.ОЭ (7)

Взаимосвязь задач моделирования й идентификации представлена на рис. 2.

Алгоритмы, реализующие отображения П и Й"' должны обладать свойством дуальности, т. з. подстановка результата Р отобра-

-16л л

жения С6) в отображение (7) даег результат X и 0, совпадающий с заданной степенью точности с соответствующими значениями X и О, входящими в отображение С63. И наоборот: подстановка результата СХ,0) отображения С7) в отображение С6) дает результат - индикаторную диаграмму Р, близкую с заданной степенью точности к исходной диаграмме Р, »ходящей в С7). '

Принцип дуальности алгоритмов анализа и синтеза рабочих процессов предполагает разрабс чу специальных математических моделей фрагментов рабочего процесса и соответствующих программны» средств их численной реализации, изложению которых посвящен третий и четвертый разделы диссертационной работы.

В третьей главе рассмотрены некоторые основные подходы к разработке универсальных, математических моделей анализа и синтеза рабочих процессов поршневых ДВС.

Среди фрагментов математических моделей рабочих процессов ДВС на альтернативных топливах особенно следует.остановиться на моделях преобразования смесей индивидуальных веществ и вычислена их термодинамических характеристик. В связи с этим сформулированы основные элементы алге'ры смесей, состоящей из множества объектов алгебры - векторов смесей индивидуальных веществ и операций смешения и фильтрации. Выведены дифференциальные уравнения, описывающие изменение состава смеси в контрольном объеме при произвольном количестве источников вещества, связанных с контрольным объемом путем массообмена

Ж?, э .

И -з^ - ЕСд* - д^ Ск , к=»

С8)

где и - масса вещества в контрольном объеме, д. цоья вещества в контрольном объеме, д" - деля 1-го е^'СТья ь к.-том

источнике, (¡к - интенсивность расхода вещества из к-го источника, С - интенсивность расхода вещества из контрольного объема.

При изменении состава газовой смеси, вызванном происходящими в ней химическими реакциями, на концентрации индивидуальных веществ наложены ограничения, определяемые начальным балансом элементов, входящих в индивидуальные вещества смеси. Наиболее общим видом таких ограничений следует, по-видимому, считать их матрично-векторную форму.

Л/у = 1о , С 9)

где с - вектор молярных концентраций индивидуальных веществ реагирующей смеси, Ь - молекулярная матрица, С!,,]) элемент которой соответствует количеству атомов ,]-го элемента в 1-том индивидуальном веществе, V - удельный объем смеси, Л - вектор, компоненты которого являются количеством молей каждого из элементов, приходящихся на единицу массы смеси.

Вектор-инвариант реагирующей смеси Л связан с условной формулой топливовоздушной смеси соотношением У У У

А - / 1 3 УИ \

Л - { ТГ ' ТГ • ••• ТГ ' •

где у - коэффициент при 1-том элементе в условной формуле топливовоздушной смеси, М - кажущаяся молярная масса смеси.

В свою очередь, коэффициенты условной формулы определяются

исходя из объемных долей компоненитов газовой смеси г. в виде

я ■ ■ л

у> ^^ -

Для топливовоздушной смеси, состоящей из топлива с условной формулой С^ОД и воздуха с условной формулой Н

коэффициенты условной формулы имеют вид: . ■

п _ г+0^42сЛ 1+0.58Л

У— ** • V ~ л ■ - ■ ■ * V — О , — 'О

»" аЬ + 1 • 'г~ ох» + 1 * ■>* аГГ+~1 ' '♦ (ЯГ+Т '

о о о о

Предполагая состав продуктов реакции равновесным, систему уравнений материапьного баланса С9) необходимо дополнить систе-

мой уравнений действующих масс, имеющей вид

А х = кСТ) (10)

где А - стехиометрическая матрица коэффициентов реакций; х -вектор составленный из логарифмов концентраций; кСТ> - вектор, составленный из логарифмов констант равновесия.

Итерационная схама решения системы уравнений (9), CÍO) методом Ньютона представима в векторно-матричной форме

хк+' = хк + Дк, Дк = - В-'Схк) FCxk). {11) ВСхк) = (- ). FCx*) = (-L-c£ = № ).

где индексы к и к+1 соответствуют номерам последовательных приближений. • - '

Представление системы уравнений равновесия в форме С9), (10) и схемы ее решения согласно (11) позволяет в значительной степени автоматизировать процесс определения равновесных концентраций компонентов продуктов сгорания произвольной топливовозду-шной смеси. ,

: Определение температуры продуктов сгорания при наличии процессов диссоциации и рекомбинации отдельных компонентов удобно производить, пользуясь методом полных. внутренних энергий. Последний Основан на выборе начальных значений» внутренней энергия индивидуальных вецеств , равной- од тойоте образования нэ стандартных . 0г. Н^ С И> др- Ири- стандартной температуре СТс» 298.1540.

В свою очередь, изменение полной- внутренней энергии в замкнутой системе определяется только лишь^взаимодействием рабочего вещества о окружаюаей средой путем механической работы и теплопередачи и не зависит от химических процессов, происходящих в ЛВС. Это позволяет проиллюстрировать рабочий npoi-сс энергетической диаграммой, которая сочетает в себе основную информацию о перераспределении различных видов энергии в цилиндре и о взаимо-

действии с окружавшей средой. Энергетическая диаграмма приведена на рис. 3. Изменение полной внутренней энергии рабочего вещества . соответствует -расстоянии между кривыми 1 и 2, представляющими -собой изменение механической работы, производимой окружающей средой и теплотой, подведенной путем теплопередачи между рабочим веществом и конструкцией. Отсчет интегральных величин работы и теплоты производится относительно координатных осей оа и о; а( соответственно, расположенных на расстоянии, равйом разности полных внутренних энергий заряда й Продуктов сгорания при стандартной температуре. Заштрихованная область Представляет собой термическую часть полной энергии Синдекс Т), а незаштрихованная химическую С индекс х). Углы поворота коленчатого вала р> и ра соответствуют началу и концу сгорания, а кривые с<1 и сд делят области химической и термической энергии й&. составляющие, соответствующие зонам заряда (индекс 1) и продуктов сгорания (индекс 2). Отличие от нуля химической энергий аонн Продуктов сгорания ихг связано с наличием продиссоциироваййых компонентов. В процессе расширения при охлаждении рабочего веШей'Ьа эта величина стремится к нулю. В точке л диаграммы тзяучаем интегральный баланс цикла в виде механической р&Йоты Ц , Количества теплоты, отведенной в стенки 0Г и энергии-продуктов сгорания 0Г

При моделировании рабочего процесса на альтернативных топ-ливах основной сложностью является отсутстЬиё Информации о законах выгорания заряда в цилиндре двигателя, обусловленных как физико-химическими свойствами топливобоздушной смеси, тау и формой камеры сгорания. Для учета второго фактора введено понятие сферических функций камеры сгорания Б^Ср.М и ^Ср.Ь), представляющих собой зависимости величины сферической пойерхнос^и,'ваклв- . ченной внутри камеры, и велйчины поверхности камеры сгорания, заключенной внутри сферы радиуса р с центром в точке боспдамене-

ния, от радиуса р и перемещения поршня относительно верхней мертвой точки h.

Предложена методика построения сферических функций, основанная на упорядоченной параметризации поверхностей, ограничивающих камеру сгорания. Использование сферических функций позволяет приближенно синтезировать закон-выгорания, исходя из турбулентной скорости фронта пламени.

8 четвертой главе описала система универсальных базовых вычислительных модулей, позволяющая решать достаточно широкий круг задач, возникающих при моделировании и идентификации рабочих процессов ДВС, ' работающих на , произвольных топливо-окислительньй композициях. Пр слагаемая система модулей, структурная «хема которой показана на рис. 4, позволяет автоматизировать решение следующих локальных задач, наиболее часто встречающихся при моделировании рабочих процессов: •

- вычисление теплофизических характеристик смеси идеальных газов заданных состава и тейпературы CMIX);

- определение ¡ температуры ¿меси заданного состава по известным внутренней анергии, энтальпг - или энтропии СТЕМ);

'- вычисление адиабатической скорости ; истечения, массового или объемного расходов идеального газа через проходное сечение заданной 'площади CÏST) ; --/--/г" ,:'■

- определение константы равновесия произвольной химической реакции при заданной температуре СCONST);

- определение равновесного состава ctoeck га&ов по заданной схеме реакции (DIS).

Перечисленные основные модули действуют в среде массивов, несущих информацию о теплофизических свойствах индивидуальных веществ. Эти массивы формируются с помощью служебных модулей ID, DD и МЕТ, которые связывают базу данных с основной программой.

База данных представляет собой двумерный массив, каждая ,строка которого соответствует некоторому индивидуальному вевеству. Каждому из веществ ставится в соответствие 15 чисел, составляющих коэффициенты полиномов, аппроксимирующих энтальпию и энтропию, газовую постоянную, молекулярную массу и количество элементов 0,N,C и Н в его химической формуле.

Подпрограмма MIX основана на представлении энтальпии или энтропии индивидуальных веществ в виде полинома 7-й степени от температуры с последующим вычислением линейных комбинаций индивидуальных свойств с заданными весовыми коэффициентами.

Модуль ТЕМ основан на численном решении методом Ньютона уравнения 7-й степени относительно температуры Т iPtr.T) = ро,

где fg - заданное значение энтальпии, внутренней энергии или энтропии. Производная др/31, необходимая для реализации метода Ньютона, определяется модулем MIX в виде

если р - энтальпия ;

г о

если ро - внутренняя энергия ;. ейли ро - энтропия .

Подпрограмма 1ST основана на определении'температуры истекающего газа Т., находящегося в начальном состоянии при температуре Т . В предположении изоэнтропичности истечения эти величины связаны соотношением * . -

SCT.} = SCT ) + R In п .

8 А

где SCTB) и SCTa) - температурные составляющие энтропии, я -отношение давлений, R --газовая постоянная. .

. Температура Т определяется с помощью модуля ТЕМ, а скорость истечения W - в виде

c-lf)

с Сг.Т), cvCr.T), Str.T)

v = у -г iia - ie) ,

где it - энтальпии исходного и расширившегося газа, для вычисления которых используется модуль MIX.

Константы равновесия вычисляются на основании известного соотношения:

ink* •

0

где AS. и AI - изменения стандартной энтропии и энтальпии в результате реакции, которые вычисляются обращением к модулю MIX. ; Полученные константы равновесия используются в модуле DIS, который'решает систему уравнений Материального баланса и равновесия (9) и СЮ) методом Ныг">на по схеме (11) с коррекцией шага., • ;'

; ; Изложенные ё.третьей, и четвертой главах методики to алгоритмы являются злементной базой для построения фрагмейтов математических моделей рабочих процессов-ДВС более. высокого уровня, которые и рассмотрены в пятой главе.

\В пятой главе рассмотрены некоторые численные модели фрагментов, рабочего процесса ДВС с внешним смесеобразованием, основанные .на системе универсальных модулей(описанной в предыдущем'разделе. ■ .'-'..; . ■ ■' •'- ' • \ v ■

Приведен, конкретный. пример построения сферических функций tout.камеры,/сЬ^ния клиновидной формы, схематически представленной'на рис, 5.6.. Для камер такого типа область надпоршневого пространства представима в виде

" R » R, U Р.г, Где Rt - наклонная цилиндрическая область постоянной геометрии, a Ra - цилиндрическая область, зависящая от положения поршня Н. В предикатной форме области Ra и представимы в виде

R = Сх* + у3 < R*) Д Cz > И ) Л Cz < ГО (12)

R. = (Jx. | < -4- Л Cz. >0) Л Cz <Сх +-4-)tg<a-*-H) Л

1- 1С« » i 1 a i

CC|yJ<-2-) v + Cyt--jj-)*<r*) V Cx* + Cyt + ijo*< r*)).''C13)

Координатные системы oxyz и o( xt yt zi связаны между собой поворотом на угол а и переносом начала координат на величины ? и (, определяющие положение точки 0 относительно системы координат oxyz. Эта взаимосвязь представима в виде

У, = У.

xt = Сх - ?) cos а - Cz - sin а, zt = Сх - ?) sin а - Cz - р cos <х.

Проверка принадлежности точки сферического фронта Cp.p.S), имеющей в системе oxyz вид

х = xq + р sin f> cos 9 , у = уо v р sin р sin S , z = zo + p eos p , области надпоршневого пространства R, осуществляется проверкой истинности предикатов С12) для xyz и (13) для xjyfzj. Сферическая функция Sf камеры сгорания двигателя ВАЗ-2105, полученная в результате приведенного алгоритма для двух положений поршня относительно в.м.т. представлена на рис. 7. Аналогичным образом строится сферическая функция V , бпределяющая поверхность контакта продуктов сгорания со стенкой, а ее вид для указанной камеры сгорания приведен на рис. 8.

Из всех участков рабочего процесса поршневого ДВС наиболее сложным для математического моделирования является участок сгорания. Рассмотрены четыре модели сгорания, основанные на массовом и объемном законах выгорания, á также на гипотезах полного смешивания и абсолютного несмешивания продуктов сгорания,' Среди этих моделей следует выделить многозонную модель с объемным законом выгорания. При таком подходе на i-том шаге процесса сгорания рабочее вещество представляется в виде расслоенной системы

иэ i+1 зоны. Первые i-зон состоят из продуктов сгорания, a i+1 зона - из свежего заряда. Для k-й зоны на i-том шаге процесса справедлив закон сохранения энергии в разностной форме uC9lfc -uCg, ^>fc) = -Pj Cvtk-Yt_k)-qtC14) где glk, Tlfc, vlfc - вектор состава, температура и удельный объем к-той зоны'на i-м шаге, Pt _ давление на i-1-м шаге, qt _t к - количество тепла, отведенного в стенки от единицы массы k-й зоны на 1-м шаге.

Кроме уравнения энергетического баланса для каждой из зон можно записать уравнение газового состояния

Vi* T¡k • ' С15)

Система уравнений (11 ,' С15) Дбйолняется уравнением массового баланса;.

i-. . Р.- ■ i.» m-RCg-.n,1, • ' CVT.-V.)P. £Bi4 Ha JT J V ¡ S 3 + Mía JT—=m <16)

Jrí * =11 1 i ; 1 Jrt Ví K!-gil+l jlll+l

где первое слагаемое представляет собой массу первых i-1 зон, второе - массу последней 'выгоревшей зоны свежего заряда, третье - массУ несгрревшей части, V1,VT1 - объемы продуктов сгорания и надпоршневого пространства на 1-й шаге соответственно.

■При использовании в качестве топлива водорода и водородсо-держашях газов температура в зоне сгорания превышает 2500 К, что приводит к заметной диссоциации продуктов сгорания. В связи с этим составы продуктов сгорания glk, фигурирующие в системе С14) -С 16) необходимо определять исходя из соотношений (9), СЮ) для равновесных составов, записанных для каждой из зон.

Для совместного решения системы Cl4)-C16) и подсистем вида С9),С10) разработан специальный численный метод, основанный на раздельном решении системы уравнений С14), С16) при некоторых фиксированных составах qk и подсистем С9), С10) для каждой из зон при фиксированных Т1ки v, k. Замыкание двух подсистем осуществлялось методом Ньютона, причем матрица частных производных для

вычисления поправок определяется путем численного дифференцирования. Концентрации оксида азота в каждой из зон определялись на основе интегрирования кинетического уравнения образования N0 по механизму Зельдовича. Разработанная методика била апробирована для 50-100 зонных моделей, что эквивалентно решении системы до 1100 алгебраических уравнений, и показала хорошую сходимости.

На рис. 9, 10 показано рассчитаное по описанной методике распределение температур и концентраций оксида азота в камере сгорания Д0С, работающего на смеси бензина и водорода, в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Полная математическая модель рабочего процеаса, реалйэо-ванная на ПЭВМ, включает •

- систему автоматизированной подготовки ¿сходных данных для произвольных тошгавноокислительных композиций;

- систему построения сферических функций камеры сгорания; V

- подсистемы процессов сжатия, сгорания и расширения,, учитывающие диссоциацию компонентов Продуктов сгорания й кинетику обра- ' зования оксида азота; \ »

- подсистему расчета процессов ¿пуска й выпуска.

Все подсистем^ используют стандартные модули MEt,.; MIX, ТЕМ, CONST, DIS, IST, DD, ID, а также» программные'модули более высокого уровня RNS и ZONA для определения термодинамических параметров рабочего вещества в процессе сгорания для двухзонной и многозонной моделей.

В шестой главе предлагается методика идентификации параметров математической модели рабочего процесса на основании его индикаторной диаграммы, дуальная двухзонной модели сгорания с учетом диссоциации.

В состав идентифицируемых параметров включены а( -

мнсяитель и показатели степени в выражении, аппроксимирующем

теплоотдачи

V" а р0' Т°\ . (17)

углы поворота коленчатого вала и <рг, соответствующие началу и концу участка сгорания, средняя температура тепловоспринимающей поверхности Tw, показатель сгорания Вибе массового закона выгорания топливовоздушной смеси.

Основной сложностью при определении закона выгорания по экспериментальным данным является разделение теплового эффекта реакции сгорания и теплопередачи на участке сгорания, сумма которых определяется путем интегрирования приращений работы цикла и изменения внутренней энергии рабочего вещества в процессе сгорания.

Разработана методика идентификации, позволяющая определить закон выгорания топливовоздушной смеси с учетом диссоциации продуктов сгорания и закон теплоотдачи'на участке сгорания. В основу метода.положена гипотеза о том, что в процессе сгорания теплоотдача от зон заряда и продуктов сгорания происходит по законам, аналогичным.законам теплоотдачи на участках сжатия и расширения соответственно. В свою очередь коэффициенты теплоотдачи на участках сжатия и расширения идентифицируются на основе использования интегральной формы первого начала термодинамикии и уравнений химического равновесия для продуктов сгорания.

На участке сжатия кривая теплообмена qw(p) определяется из интегральных соотношений

qvCpD - ¿Ul^ -_f рСр) dv(p),

uCf) = uCTtCP), g4 ), - С18)

- w ■ ,

где q ' - состав заряда, T , p, v,. - температура, давление и удельный объем заряда в процессе сжатия.

Кривая теплообмена на участке сжатия для водородного ДВС

при а=1.02 приведена на рис. 11. Точка максимума рч - соответствует нулевому среднему тепловому потоку, а температуру TtCpw) можно принять в качестве средней температуры поверхности теплообмена. В качестве момента начала сгорания принята абсцисса точки перегиба р. ...

На участке расширения уравнения, энергетического баланса и. состояния для продуктов сгорания необходимо дополнить системой уравнений для определения равновесного.состава вида (9) и СЮ). Поскольку момент конца сгорания неизвестен, то процесс расширения удобно рассматривать в обратном направлении, начиная со значения угла поворота коленчатого вала ir, соответствующего концу расаирения. Тогда система уравнений для определения кривой теплоотдачи на расширении примет вид .

. qvCp) = Au|g 4 ? рСр) dvCp), •'

uCf) = uCT Сp)., g43, С19) . • .

где ga, T4 - состав й температура продуктов сгорайия, • fт сим-ьолическо& обозначение С9), СЮ) для определения' равиб^есного. состава да. . , '..••.■ ■/•,',■•' 'У,*'

Кривая теплоотдачи, полученная в результате численного ре,- • шения системы уравнений (19), на расширений Для водородного ЕВб при а=1.02 приведена на рис. 12. В качестве конца участка сгорания, так же как и на участке сжатия, принята точка ря, соответс-, твующая перегибу функции qw(p).

Значения параметров, входящих в выражение (17) для коэффициентов теплоотдачи -на сжатии к расширении, определяются путем решение оптимизационной задачи нинимиаации среднеквадратичного отклонения ' ■

J (а) = £ Cq - q )a С20)

*« "fr ...

экспериментально полученных кривых Я^Ср) на участках сжатия и расширения и кривой теплоотдачи, полученной в результате интегрирования дифференциального уравнения Нызтона-Рихмана,

= а Р\р) FCf>) (Tip) - Tw) , (21)

где w - угловая скорость коленчатого вала, F(#>) - текущая поверхность теплообмена.

В качестве метода оптимизации выбран градиентный метод наискорейшего спуска. Направление спуска Н определяется соотноше-лшяыи

И* " abq« - W ^ i-1.2.3.

где частные производные, исходя из разностного представления уравнения (203, вычисляется рекуррентно в виде

^W а а

~Э5~~ ♦ V V - Tw } *

А « А

—-

V а а

к + «.V cm Рк) V F (Т гк *к - Tw 3 Др,

Л ч а

К •+ «VV (In тк> V F (Т Vic " Tv > ^ А р,

~3а-

з

-Ц— = О, . 1=1.2,3. •

Максимальная "длина" итерационного шага X оценивается исходя из разложения приращения функционала в ряд Тейлора в окрестности предыдущего приближения и составляет

' ХД "ЙГТТО'

где ,]'Са) - численное значение квадратичного отклонения на предыдущем шаге. Поиск оптимальной величины шага производится методом дихотомии на интервале СОД).

Массовая доля выгоревшего заряда определяете.» но системы

уравнений для двухзонной модели сгорания, имеющей вид

С 1-х) uCT ,д ) + х иСТ ,д ) = а, 1 Э1 8 =1

(1-х) RCgs) T + х и Rfga) 7г= pv, " С22) ■

SCgt Л,) - Кд,3 ln р = S. где индекс 1 относится к зоне заряда, а 2 - к : зоне продуктов сгорания, х - массовая доля продуктов сгорания. ,'/..' ■

При заданных составах д^ и g -, давлении р, внутренней энергии и, энтропии S и удельном объеме v система уравнений (22) разрешима относительно х, Т( и Тд. Температура Т, определяется из 3-го уравнения системы с 22) ... " .' . .,

Т, = ТЕМ ÎS + R(gt) ln pi, ; . Л . а первые два уравнения после исключения х свЬдятЬя к одному нелинейному уравнению относительно Т '. •'

CuCT ,д ) - u)R Т + Си-и )R T - pvCuCT-,д,)~ и.) * Ь, (24) .

t wst xi ляля .. _ t

которое численно решается методом Ньютона. .. ••;

Для учета диссоциации продуктов сгорания их состай корректировался в соответствии с решением системы уравйенйй равновесия, при температуре Та, полученной из. С 24).: Полученное значение да принималось в качестве исходного при решении системы С 22). Эта процедура повторялась до достижения требуемой точностй реше-:

ния. ■ •■ ' ' ■ ; '« :

Значения u и S, входящие s (22) , слрё&еляотсЛ ¿ результате интегрирования дифференциальных уравнений для внутренней энергии всей системы и энтропии для несгоревшей зоны ¡заряда du = -р dv - Cl-x) dqw -Я dqw ,

2 ' C2S) dS = - dqw . • ' . ■ . "

Элементы теплоты dqw й dqu , входящие в (25), определяет-12 ■

ся исходя из коэффициентов теплоотдачи, полученных ранее для зон заряда к продуктов сгорания.

На рис. 13 приведены законы выгорания водородовоздушных •зарядов в двигателе ВАЗ-2101, полученные в результате применения описанной методики идентификации.

Сформулированный ранее принцип дуальности алгоритмов моделирования и идентификации рабочего процесса реализован в едином вычислительном комплексе, основанном на двуэонной модели процесса сгорания с учетом диссоциации высокотемпературных компонентов. Дуальность алгоритмов обусловлена общностью локальных базовых моделей, используемых в прямой и обратной задачах. Разработанный комплекс с автоматизированной подготовкой исходных данных позволяет осуществлять синтез индикаторной диаграммы или ее анализ по экспериментальным данным,.а также проверку адекватности результатов идентификации, используя синтезирующий блок вычислительного комплекса.

«

В седьмой главе рассмотрены математические модели рабочих процессов виергоустановок, состоящих из ДВС и генератора топливного газа на основе металлогидридного водородного аккумулятора, термохимическЪго реактора конверсии и испарителя метанола, использующий в качестве компонент как математические модели рабочего, процесса .ДВС, така систему универсальных вычислительных модулей, рассмотренных выше.

• • Структурная схема кеталлогидридной системы хранения СМГСЮ приведена на рис. 14. В соответствии с этой схемой охлаждающая жидкость из системы охлаждения двигателя I с температурой Т[ поступает в подогреватель 2, в который подаются отходящие ^газы при температуре Твг. Подогретая до температуры Т, охлаждающая жидкость подается в МГСх! В результате нагрева металлогидрида 4 Происходит десорбция водорода 6 буферную полость 5 и далее через дозатор б осудйс*&лйетоя отбор водорода во впускной коллектор ?.

: Узким местом системы ДВС - МГСХ является режкм запуска ДВС

и разогрева МГСХ, что обусловлено значительной конструктивной массой. Упрощенная модель холодного пуска системы ДВС - МГСХ основывалось на следующих допущениях:

- ттаппогкдрад элемента пусковой систеш вмеет во всех точках одинаковую температуру Т, совпадающую с температурой водорода в буферной полости, образованной пористой структурой металлогидрй-да;

- водород я металлогядрид находятся! а состояния динамического равновесия. •'..''

При этих допущениях получено дифференциальное уравнение нагрева металлогидридного элемента •• ,ч •

Чсг + + срТ)1 Ц- -«г-вяЧ+ . С26);

где яг, ср - масса и теплоемкость металлогидрйда, с^ -теплота сорбции, ч - интенсивность отс!ора теплоты от теплоносителя; бн~ массовый расход водорода, ср - теплоемкость Водорода; заданная функция, зависящая от характеристик мбталлогидрида.

Температура охлаждающей жидкости Тг в каждой из полостей определяется исходя из дифференциального уравнения тепябвого баланса, имеющего вид ''■•>.■ 4-

V* 1г-аелстгт>3 + г .(275

- м = 1,2,3 .'•■!""

где я^ - касса теплоиосятеяя в 1-Й- )водости1 ; Т^ > »енпература теплоносителя, пое+упаюдёго 6 1 полость, § - массовый рай-ход и теплоемкость теплоносителя, д. - интенсивность суммарного теплоподвода к теплоносителю в 1-Й Полости, определяемая уравнениями Ньютона-Рихмана.

Коэффициенты теплоотдачи, входящие в соотношения для инте-нсивностей теплообмена определяются исходя из общепринятых мето- ' дик, широко используемых при расчетах теплотехнических устройств. Теплоотдача от рабочего тела ЛВС к охлаждающей хидкостя,

температура и расход отработавших газов определяются в результате численного моделирования рабочего процесса на ПЭВМ, Численные эксперименты показали, что определяющим фактором, влияющим на длительность прогрева МГСХ, является расход водорода через двигатель в режиме прогрева. На рис. 15 показаны области, характеризующие различные условия запуска и прогрева. Область.I, соответствует провалу давления водорода более 0.1 МПа в начале запуска. Область II соответствует режимам, при которых длительность прогрева двигателя составляет, более 10 мин, и область III можно рекомендовать в качестве рабочей поскольку прогрев достигается за короткое время при незначительном спаде давлениях в МГСХ. Металлогидридная система аккумулирования водорода с жидкостным теплоносителем была реализована на автопогрузчике 4092 с двигателем УМЭ 451МП. Одним из путей повышения устойчивости работы водородного ДВС является увеличение степени сжатия, приводящее к снижению температуры отработавших газов. Для определения соотношения между предельным коэффициентом избытка воздуха и повышением степени сжатия, обеспечивающих устойчивую работу двигателя на водороде, были проведены экспериментальные и численные исследования рабочего процесса, суть которых сводилась к оценке минимальной температуры остато.чных газов, при которой обратная вспышка не возникала. В результате получена взаимосвязь между величиной степени сжатия и коэффициентом избытка воздуха, обеспечивающих устойчивую работу, двигателя на номинальном режиме £ = 5.88 « + 1.003 ас- 0.1665 е - 4.64 ,

- О .0

где ео - степень сжатия базового варианта.

Одним из вариантов применения метанола в качестве топлива является его каталитическая конверсия в водородсодержащую газовую смесь,. Газификация метанола осуществляется в реакторе, представляющем собой теплообменник трубчатого типа, заполненный ка-

тализатором и обогреваемый отработавшими газами двигателя. Основными проблемами при разработке такой системы питания является организация высокой и стабильной степени конверсии метанола, а также согласование инерционного газогенератора с транспортным двигателем, работающим в широком диапазоне частот й нагрузок.

Структурная схема системы "двигатель-реактор" представлена на рис. 16. Жидкий метанол из бака 1 под давлением рн, определяемым источником давления 2, поступает Ь реактор 3. Из реактора продукты конверсии через дозатор 4 поступают во впускной коллектор 5, в который через дроссельную заягонку 6 штатного карбюратора, поступает воздух из атмосферы. Отработавшие газы двигателя 7 поступают в межтрубное пространство реактора. : '

Математическая модель топливовоздушнбго тракта основана на следующих упрощающих предположениях:

- все компоненты заряда представляют собой идеальные газы; •

- реактор, впускной коллектор, межтрубное пространство представляют собой элемента с сосредоточенными параметрами., •

Система уравнений, описывающих каждую из полостей, представляет собой дифференциальные уравнения баланса энергий и кассы i »5 1 -G itq

at их вх »их ■ 4 С28)

dp = G - С <

dt "ex »их ' ..' .

где U, i,m - внутренняя энергия,' удельная энергия и масса газа в полости, G.„ и G „. - интенсивности массового расхода на входе и

ВХ 0 ых

выходе из полости, isx - .удельная энтальпия поступающего газа, q - интенсивность теплоподвода.

Дифференциальные уравнения С 28) дополнены уравнениями газового состояния

р V = и R Т С29)

и калорическими уравнениями состояния ' Ь' = ¡г, иСТ)

С 30)

i = iCT)

Тепловые потоки между полостями определяются на основании закона Ньютона-Рихмана, а расходы газа - через регулируете сечения дозатора топлива и дроссельную заслонку численно, с помощью стандартного модуля IST.

Массовый расход заряда через двигатель и энтальпия отработавших газов определяются численно в зависимости от температуры, давления и состава заряда во впускном коллекторе, а также от частоты вращения коленчатого вала.

Интегрирование полной системы дифференциальных уравнений топливоподающей системы и рабочего процесса ЛВС позволило оценить требуемые проходные; сеч&зия для метанола, газа и воздуха, а также получить зависимости между сечениями дозатора топлива и воздушного тракта, обеспечивающие требуемый коэффициент наполнения и коэффициент избытка воздуха.

Полеченные результаты явились' основой для экспериментального конвертирования двигателя ЗМЗ-402 на пары метанола. Нагрузочные характеристики двигателя ЗМЗ-402 при работе на бензине и tiapax метанола представлены на рис. 17. Как видно из характеристик эффективный КПД ыетанольного . ДВС существенно превышает КПД бензинового, приближаясь к дизельным значениям, что обусловлено обеднением топливовоздушной смесч до «=1.3+1.3 и улучшенным сме-, сеобразованнем благодаря предварительному испарении.

, основные'результаты и вывода

, - 1. Вовлечение в сферу практического примененна транспорте адьтернатчвных энергоносителей, в том'числе водорода, коксового и синтез-газа, метанола, является важной народно- хозяйственной проблемой . решение которой способствует кошлексному решению энергетической И экологической проблем автомобильного транспорта. ■ •-.■:.'•■••

-352. Анализ моторных свойств альтернативных топлйв, которыми может располагать Украина, показывает принципиальную возможность конвертирования современных бензиновых двигателей на водородсо-держапше газы и как переходной вариант - на бинарное топливо, состоящее из бензина и альтернативного, подаваемых в двигатель, раздельно или в смеси. Применение таких топлив позволяет .осуществлять рабочий процесс двигателя при обедненных топливовоздушных смесях, что способствует повышению топливной экономичности и снижению токсичности отработавших газов. ' < . ' "

3. Многообразие альтернативных топлив и значительный разброс их термодинамических свойств й скоростей сгорания предопределило создание универсальных , математических "йодёйей синтеза . и -анализа рабочих процессов ДВС на"аль1'ернативйых топливах, рассчитанных на произвольные состава тойлйвовоздуштя сйёсей. В связи с этим разработан комплекс унйверсальных вычислительных модулей, позволяющих автоматизировать ряд кайбояее сложных фрагментов, возникающих'при различных подходах к решению.задач Моделирования и идентификации рабочих процессов для широкого класса топливоонислительных; композиций1.

4'. Разработана! нагая концепция' представления динамики процессов преобразования! энергии' И' взаимодействия рабочего вещества с окружающей средой1 в виде энергетической диаграммы, дающей НаГ-. лядное представление- о ходе> процессам сгорания, теплопередачи, механической1 работы; диссоциации- и- рекомбинаций В каждой точке угла поворота коленчатого вала. Разработана Методика построения энергетической диаграммы по известной индикаторной.

5. Описание процесса сгорания альтернативных топлив в вйде полуэмпирических и эмпирических соотношений в большинстве случаев не представляется возможным ввиду отсутствия достаточного объема экспериментального материала. Кроме того, такой подход Я

моделированию процесса сгорания никак не учитывает конфигурацию камеры сгорания и расположение источника воспламенения. Более конструктивным представляется подход, основанный на объемном законе тепловыделения, получаемом в результате решения задачи о пересечении сферической поверхности фронта пламени с поверхностью надпоршнеього пространства. Разработана многозонная модель процесса сгорания, основанная на определении величин последовательно выгорающих сферических слоев заряда. Модель учитывает диссоциацию продуктов сгорания в каждой из зон. Концентрации оксида азота определяются позонно на основе кинетического механизма.

6. Для моделирования рабочих процессов ДВС на альтернативных топливах необходимая информация о законах теплообмена между рабочим веществом и элементами конструкции и выгорания топливо-воздушного заряда может быть получена исходя из экспериментальной индикаторной диаграммы. Разработана методика оценки параметров в законах теплообмена и выгорания заряда, учитывающая разделение рабочего тела на две зоны, а также диссоциацию продуктов сгорания. Сформулирована концепция дуальности алгоритмов моделирования н идентификации рабочих процессов, позволяющая оценивать их совместимость ' и предложен один из возможных вариантов дуальной с»стеыы алгоритмов.

7. Разработана математическая модель динамических процессов в системе "двигатель-металлогидридный аккумулятор водорода", позволяющая оценить влияние конструктивных факторов на динамические характеристики металлогидридного аккумулятора с жидким теплоносителем. Результаты проведенных исследований использованы при создании экспериментального образца малотоксичного автопогрузчика, отличающегося от предыдущих разработок повышенным запасом водорода, жидкостной системой теплоснабжения металлогидрид-ного аккумулятора, повышенной устойчивостью по отношению к не-

контролируемому воспламенению топливовоэдушной смесй на впуске.

8. Впервые проведены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования статических и динамических характеристик автомобильной энергоустановки с термодинамическим реактором конверсии метанола. В результате проведенных исследований сойдана топливная аппаратура, позволяющая осуществлять пйтание двигателя как бензином, так и продуктами конверсии метанола. Исследования показали, что наиболее узким местом является катализатор конверсии метанола. В настоящее время катализатор, удовлетворяющий одновременно всем требованиям по рабочим температурам, механической прочности и массо-габаритным показателям, Накладываемым условиями его функционирования совместно с ДВС, отсутствует. Для отработки топливной аппаратуры в условиях переменных режимов проведено опытное конвертирование микроавтобуса ¡РАФ-2203 на парообразный метанол. Проведенный Комплекс стендовых и лаборатор-ногдорожных испытаний показал высокие технико-экономические и экологические показатели метанольного ЛВС. Благодаря значительному обеднению топливовоздушной смеся й улучшенному смесейбркзо-ванию эффективный КПД возрос на 20-23« по сравнению С бензинбвым

прототипом. ' •

»

t

Основные положения диссертации получили отражение в следующих работах:

1. Куценко A.C. Моделирование рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания на ЭВМ. -Киев: Наук, думка, 1888. -100

о.

2. Стрелков И. В., Юрченко А. П., Куценко A.C. Некоторые-методы управления процессом преобразования энергии в тепловых двигателях с целью повышения их энергетических характеристик И снижения прочности//Сб. Защита воздушного бассейна от загряз-

нэния токсичными выбросами транспортных средств.-Харьков, 1977, Т2. -С. 17-29.

3. Варшавский И. Я., Стрелков И. В., Куценко А. С. Об организации многокаскадных систем преобразования энергии //Авиаса-ыолетостроение. Техника воздушного флота.-1978.-N42. -С. 19-20.

4. Куценко А.С., Адашевскал Л.И., Умеренкова К.Р. Математическое моделирование процессов образования токсических веществ в ДВС //Пробл. ¡..ашшостроения. -1983. -Вып. 20. -С. 41-44.

5. Куценко А.С. О влиянии параметров функции тепловыделения Вибе на термический КПД цикла поршневого двигателя //Пробл. машиностроения. -1984. -Выл.22. -С. 96-100.

6. Куценко А. С., Беус А. Я. Об анализе согласования элементов дизельгазотурбинной энергоустановки //Ин-т проблем ма~ шияоетр. АН УССР. -Харьков, , 1982. -¡В с.. - Деп. в ШШГЭИ трак-торсельмашэ 10.04.82.

7. Куценко А. С., Мищенко А. И., Левтерова Л. И. Численный метод определения равновесного состава продуктов сгорания водородного ДВС //Проба, машиностроения .- 1988: -Вып. 29. -С. 83-86.

8. Куценко А. С. , Левтерова Л. И., Русанов И. В., Аврутина Т.С. Об одной численной модели рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием // Пробл. машиностроения .-1990.-Вып. 34.-С. 97-101.

9. Kycenko A. S., Savitsky V. D., Baykov V. A. Hydrogen internai corabustion engine with external mixture formation // Proceeding'ttïe International conférence on new und renewable energy.Beijmg,China, 1990.

10. Куценко A,С., Савицкий В. Д.., Байков'В. A. Динамика запуска водородного ДВС с металлогидридной системой хранения во-

дорода // Вопросы атомной науцки и техники. Сер. ядерн. техн. и технология. - 1991.-Был. 1.-С. 69-71.

И. Куценко А.С., Гшшщкий С.Ф., Костова Т.М. Комбинированное смесеобразование в двигателях внутреннего сгорания // Вопросы атомной науцки и техники. Сер. ядерн. техн. и технология. - 1991. -Вып. 2. - С. 26-23.

12. Кузнецов В. М., Куценко А. С. , Савицкий В. Д. С водородным двигателем // Автомобильная промышленность. -1991. 4)3. -С. 11-1С

13. Куценко А. С., Левтерова" Л. И. Прогнозирование технико-экологических характеристик ЛВС на водородсодержааих топливных смесях // Пробл. машиностроения.-1992.-Вып. 38.-С. 86-89.

14. Belogub A. .Epifanov S., Kycenko A. Usage of hydrogenous gases as additional fuel for gasoline vehicle engines // 9 th world Hydrogen energy conference,- Paris,' 1992.

15. Куценко А. С. Технико-экологические показателя автомобилей с газожидкастными топливныш спстеками // Эффективность сжигания топлив и экология.-1893.-Вып. 1.-С. 155-160.

16. Подгорный А.Н., Каннло П. М., Куценко А. С. и др. Пути создания экологически чистого автомобиля с карбюраторным двигателем // Эффективность сжигания топлив й экология. - 1993. Вып. 1.-С. 149-154,

17. Kucenko А., Talda G. Some results of investigating the working process of an internal combustion gasoline -hydrogen engine// Hydrogen Power Systems International Symposium. Cassino. Italy. 1995.

18. A. C. N1206458, CCCP.F 02 M 23/03 Способ работы двигателя внутреннего сгорания Мищенко А. И. // Байков В. А., Куценко

А. С. и др.Зарегистр. в Гос. реестре изобр. СССР 23 января 1986г.

19. A.C. N1239387,СССР, F 02 М 23/02 Двигатель внутреннего сгораниям/Кудряш А.П. ,. Мараховский В.П., Овечкин В.В. , Ку-ценко A.C. Зарегист. в Гос. реестре изобр. СССР 22 февраля 1986 г.

. 20. A.C. N 237722,СССР,F 02 М 28/01 Энергоустановка //Стрелков И. В,,' Куценг.о Д. С. Зарегист. в Гос. реестре изоб-'рет. СССР 2 исня 1.986 г.

21. A.C. N 1327627,СССР,F 02 М 08/10 Двигатель внутреннего ' согорання • //Кудряш А.П., Нараховский В.П, , Куценко A.C.,Овечкин В.В. Зарегистр. , в Гос. реестре изобрет. СССР 1 апреля 1987 г.

22. Пат.. I? 2006608, РФ, F О? В 43/08. Способ питания двигателя. внутреннего сгорания //, Куценко А. С. , Русанов И. В. Зарегист. 'в Гос.: реестре изобр, РФ 30 января 1394 г.

23. Пат. У 2008464, РФ,' F 02 В 43/08. Способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания // Куценко A.C., Русанов И. В. Зарегист; в Гос. реестре изобр. РФ 28 февраля 1994 г,

• 24. nat.Jf 2006607; РФ, F 02 В 43/08. Способ конвертирования двигателя .внутреннего сгорания //Куценко A.C., Савицкий В.Д., Байков В. А. й др.- .Зарегист. в Гос. реестре изобр. РФ 30 января 1994 г; ■'. -у-' ^ ::,;• - ■• ' ' ' •

t г »-

а —■■ ■ *

1. /3=0 . 2. /3=0.23 3. (3=1 Рис. 1.

(*.аз 0 р

tr.'e.tn :

. i i

tr.1:

- -

Рис.; з.

Ряе. 4.

л

м

°¿ Г s

M

* -l'

10 .HM

u

Рис. S.

Рис. 7.

я"6 ш

У /

• \я=о

/ / ..._

1/

/•кг!

Рис. 6.

Рис. S.

Рис. 9

Рис. 10

Рйо. il.

©

Рис. IS.

Рис. 16,

V

1 y' 0 'S

Oy У ■ / , /V «

/ / ^ t ■ >

/Г' / "Л / ✓ 0

г / «J vi

/J /f.'1

/ ; i

Ь « 1 t> ' t ' го г s ' ai

-•-ад сч,)| ■ -р«М£0* <W!

о - |0Тшоя; • - йенам.

16

л/ч U

10

s

Рис. 17.

Kutsenko A.S. Mathematic Modeling and Identification of Internal Combustion Engines operation processes Using Alternative Types of Fuel. The dissertation for presenting Doctor's Degree of technical sciences on Speciality 05.14.03 - Theoretical Thermal Engineering, Institute for Probiefts in- Machinery, National Academy of Sciences of Ukraine. Kharkov! 1966. Methods and results of mathematic.modeling and identification of operation processes of sparkle ignition 19Е using alternative types of fuel are submitted for defense v.'hich have been presented in 37 scientific papers, including - a monograph,. 7' author's certificates and patents. The methods suggested in the dissertation allow to identify indefinite' parameters characterizing the operational process using the experimental data and forecast technical and economic performance of the ICE emplovig a, wide spectrum of alternative fuels.

Куценко 0. С. Математичне моделввання та 1дентиф1кац1я.. робочих процес!в ДВЗ на альтернативнии паливах.

Дисертац1я на эдобуття' наукового ступеня доктора техн!чних наук по спец!альност1 05.14.05 - Теоретична теплотехн1ка, 1н-т проблем машинобудування НАН Украхни, XapKiB, 1996..

На эахист винесено методи модельвання та 1дентиф1кац1Г робочих процесса ДВЗ з 1скровим запалюванням.йа альтернативних паливах, викладен! в 37 наукових роботах, в тому числ1 i монографП, 7 авторських св1доцтвах 1 патентах. Методи, що пропонусться, дозволяють 1Дентаф1кувати за експерйментальними' даними невизначен! параметри, як1 характеризуют робочий процес,' i прогнозувати техн1ко-економ!чн1 та екологхчн! показники ДВЗ, що використовуать широкий спектр, альтеонативних палив.

Ключовх слова: робочий процес .ДВЗ, альтернатив!!! палива, моделввання, идентифхкацхя.