автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка упрощенной модели выделения теплоты при сгорании топлива в поршневых двигателях с искровым зажиганием

даиштлдошй ГОСУДАРСТВЕННОЙ ШНИЧЕШЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукопиои

J КОВДШИ Ьаооаы \ß/' УДК 621.43

РАЗРАБОТКА Л1РСЩЕННСЙ ШДШ ВЫДЕЛЕНИЯ тиш ПРИ СГОРАНИИ ТОПЛИВА в поршневых ДВИГАТЕЛЯХ С ИЖРОШМ ЗАЖИГАНИЕМ

Специальиоотн 05.04.02 - Toeuoeüö двигатели

Автореферат дивоертацни на ооиоканиа ученой вгепени кандидата гохничеэки наук

■ Ленинград 1990

'' 9

•r>. J )

Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Ленинградского государственного технического университета

Научный руководитель - доктор техничзоких наук, профеооор

ПЕТРИЧЕНКО РЛ1

— к.т.н. Нагидович Л.Е.

Официальные оппоненты - д.т.н. проф. Третьяков К.П-

к.т.н. с.н.с.КудряБ"С'В Б.А.

Ведущая организация - НПО Центральный научно-исследовательский институт топливной аппаратуры (ЦНИТА, г. Ленинград)

. Защита диссертации ооотонтоя 1990 года

£ " " часов на заседании специализированного оовета Ленинградского государственного технического универоитета в ауд. главного здания (195251, г. Ленинград, Политехническая,

29).

С диссертацией мозшо ознакомиться в фундаментальной библи отеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять в адрео специализированного оовета.

Автореферат разоолан

1990 года

Ученый секретарь специализированного оовета К 063.38.01, и.т.н.,доцент ГРЯНКО Л.П.

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Двигатели о принудительным зажиганием . образуют на сегодня и в ближайшей перспективе энергетическую о»нову автомобильного транспорта. Потреонооть в совершенствовав нии таких двигателей, повышении их надежности и экономичное™, снижении токсичности отработавших газов заставляет двигатэле-отроение искать пути и методы для уакоренчя разработок новых моделей. При этом решающим средством являетая автоматизация проектирования на базе моделирования ооновных процессов в двигателях.

Одним из самых оложных для моделирования процеовов являет, о я сгорание, которое в двигателях в принудительным зажиганиом определяется оложной совокупностью физико-химических явлений. Исследованиям этих явлений поовяден ряд работ, начиная о 30-х годов и по наотоящее время. Определялись принципиальные подходы к их анализу, созданы определенные раочетные методы. Однако до оих пор не оущеотвует модели, которая оочетала оы доотовер-нооть описания явлений о простотой расчетной реализации. Именно такая модель позволила оы прогнозировать процеосы огорания, которые в свою очередь, определяют тепловые и механические нагрузки в двигателе, токсичнооть отработавших газов и экономи-чеокие показатели двигателя.

Цель работы. Разработка упрощенной модели выгорания топлива в двигателе на базе анализа физичеоких процессов распространения фронта пламени о учетом явлений1'■турбулентного пере- . нооа.

Научная новизна. На оонове анализа химических и физичеоких процессов распространения пламени установлена определяющая роль турбулентного маоооперенооа. Сформулированы ооновнае положения физической модели движения фронта пламени, включающей две фазы - турбулентную и пристеночную. Разработана методика определения параметров турбулентного переноса из анализа экспериментальной кривой тепловыделения. Разработана методика расчета выгорания топливовоадушиой омеои в двигателе о иокроэим зажиганием, использующая предложенную физическую модель и ап-прокоимировоннуи функцию турбулентности.

Практическая ценность. Разработанная методика позволяет на ранних стадиях проектирования оценивать динамику огорания

и параметры определяемых ей процесоов. Примеры расчетов показывают возможность их применения к исследованию и проектированию реальных двигателей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных оеминарах кафедры ДОС ЛГТУ и на всесоюзном семинаре "Тепловыделение, теплообмен и теплонапряжекнооть двигателей", Ленинград, ЛПИ, 1909 г.

Объем работы. Диооертационная работа ооотоит из введения, уетырех глав, заключения. Список литературы содержит 2.4 наиме-нованм. Основной текст 88 отр., 4 тоблицд , 14 рисунков.

П. ОСНОВНОЕ С ОДЕВШИЕ РАБОШ

Во введении рассмотрена общая картина развития автомобильного двигателеотроения и выделен предает исследования. Показана необходимость поиска новых подходов к построению модели рабочего процеооа в автомобильных двигателях и - в особенности -процеооов горения.

В первой главе анализируется современный уровень концепций и методов раочета сгорания в двигателях о принудительным зажиганием. Благодаря исследованиям советских и зарубежных уч& ных, феноменологическая картина процеосов сгорания в основном изучена. Показано, что огорание происходит путем последователь'

• ного вовлечения олоёв подготовленной топливовоздушной онеон в процессе сгорания. При этом наблюдаемый процесо имеет вид продвижения фронта пламени, которое характеризуется некоторой окоростью движения. На процеоо горения влияют турбулентные пульсации, благодаря которым поверхность фронта пламени имеет оложную искривленную форму.

Среди методов раочета'процесоов в цилиндое можно выделить

• несколько основных типов моделей, различаемых по опоообу задания процессов горения:

- чисто термодинамические модели, в которых реальные процессы эаменяютоя рядом условных термодинамических процеооов о постоянными теплоеыкоотями: изохорными, изобарными, адиабатическими и политропичеокими;

- нуль-мерные модели, в которых уравнения термодинамики моделируют реальное изменение состояния газов в цилиндре, а подвод тепла при сгорании задаётся а виде некоторой ^ункши:

времени или угла поворота вала двигателя;

- одномерные модели, где рассматривается движение фронта зламени по одной координате (ооычно радиусу), причем мгновения окорооть этого движения определяется как функция текущего >оотояния газов в зоне горения;

- двух- и трехмерные модели, в которых о помощью тех или 1ных вычислительных методов анализируютоя поля локальных состояний концентраций и екороотей газов по ¿сему объему камеры >горания.

На оегодня практическое значение имеют нуль-мерные и одно иерные подходы, причем предпочтение отдаётоя последним, по-жольку они походят не из чисто эмпиричеокнх зависимостей, а зключают определенный учет реальных процесоов."

Извеотен ряд достаточно удачных нуль-мерных приближений, однако во воех случаях наиболее оложиым оотается описание тур-5улентного перенооа и его овязи о мгновенным состоянием газов з цилиндре.

Имеется также ряд нэ выясненных до конца вопросов, каоаю-

цихоя

- относительной роли физичеоких и хишчеоких процеооов з формировании скорооти распространения пламени;

- существования окорооти объемного расширения зоны проектов огорания и. её роли в движении•фронта пламени.

Ъольшую оложнооть предотавляет экспериментальное опреде-1ение скорооти распространения пламени, для оценки которой не -•ущеотвует лроотих и надежных методов.

На ооновании анализа и исходя из поставленной цели работы сформулированы ооновные задачи иооледования:

- произвести оценку различных факторов, определяющих жороогь движения фронта пламени, и выявить определяющие;

- разработать принципы и методику экспериментального определения окорооти распространения пламени;

- сформулировать упрощенную физическую модель выгорания з цилиндре карбюраторного двигателя и, на её основе, вывеоти формулы для расчета окорооти сгорания;

- провеоти экспериментальное исследование о целью установления параметров распространения пламени и их завкоиыооти )Т режима работы;

- определить физический омиел и характер изменения параметра турбулентности; вывеоти зависимость для его аппроксимации;

- провести пробные 'раочеты и сопоставить их результаты в экспериментальными данными.

Во второй главе рассмотрена основные методологические аспекты, связанные о построением модели выгорания.

В отдельных работах rio огоранлю в двигателях утверждает' оя, что скорооть рао проо транения пламени формирует о я оовокуп ноотью процеооов химического превращения и физического пере-нсоа реагирующих веществ и продуктов огорания.

В работе проведены оценки относительных окоровтей этих процеооов. Выведено выражение для соотношения окоровтей хиыи чевких и физических процеооов и проведены раочеты, показываю щие, что на воех стадиях процесса это соотношение имеет пор* док не менее 10 , что позволяет в практических расчетах не учитывать их влияние. *

^ Одним из не до конца ясных вопросов теории горения гож генных топливо-воздушных смесей является положение о скорос расширения зоны продуктов огорания. Предполагается, что причиной расширения является разнооть плотностей продуктов сгорания и не сгоревшей оыеси. Проведен раочет, в котором „епол аованы выражения первого закона термодинамики для разомкнут оистеки. При этом принято, что продукты огорения имеют пост щю температуру, равную температуре адиабатного сгорания; н сгоревшая оыесь ш-.еет переменную темпсрату, определяемую ро тоы давления; давления в обеих зонах одинаковы ввиду звуков окорооти распространения волны давления. При этих посылках выведено выражение для изменения давления

с/р ¿/у ^л:.

/з (А ) 7* '

из которого следует, что рост давления определяется скорое подвода тепла и не овязан о изменением объема, что характе для иэсхорных процессов. Иначе гсноря, изменение объела оп; . делдгтоя только перемещением фронта пламенп, а "окорооть р ккрения" отсутствует.

Проведенный анализ катодов определения окороети раопро-гранения пламени показывает, что на сегодня реально осущеот-иыы два метода - кинорегистрация процеоса огорашя и Применено ионизационных датчиков.

В первом случае необходимо использование эпециьльно окон-труированного двигателя с прозрачным;; окнами - при этом просос сгорания не соответствует тому, что происходит в реаль-о.м двигателе. Ионизационные датчики лишены этого недостатка, днако они дают лишь оредние скорости по определенному направ-еиию, и обобщить эти результаты можно, лишь предполагая сфе-ичеекое распространение фронта.

Последнее позволяет предложив значительно более проотой етод экспериментального определения скороити фронта пламени, оходя из той же предпосылки. За основу при этом прклимаетоя ндикаторноя диаграмма. Объем, занимаемый продуктами сгорания, .е. объем сгоревшей омеои, выражается как функция текущего ¡адауса фронта пламени в виде полинома

X. - + с я*.+

Далее, используя известное выражение для изменения массы [родуктов огорания, можно вывести выражение скорости фронта [ламени

Г ~ "л "Л^^/^3' «-у ^/■

Коэффициенты полинома , , , г/ подбираются, юходя из реальной формы камеры сгорания.

Гдаьа 3 седеркит описание экспериментальной установки и штаратуры, а также первичные результаты эксперимента.

Экоперименгальная часть работы проводилась на серийном сарбыраторном двигателе ГЛЗ 4021. Для проведения иопытаний >ыла создана экспериментальная установка, включавшая двигатель > система!/;!, систему нзгружения и измерительную аппаратуру.

3 связи о тем, что парекетры окороети пламени определяюсь кз обработки индикаторных диаграмм, особое внимание было оделено кндши'роаан;:ю. Для этой цели разработана система,

включившая пьезокварцевый датчик, усилитель и многоканальный электронный осциллограф о размером экрана 610 мм. На экран оо-циллографа, наряду с давление, выведены отметки углов поворота с шагом Ю°п.к.в и угла зажигания. Горизонтальная развертка синхронизирована о вращением вала двигателя, что обеспечивает огабильнооть положения диаграммы на экране осциллографа. Регистрация диаграмм осуществлялась фотографированием о экрана. Большой размер экрана обеопечивал повышение точности регистрации.

В главе представлена методика и результаты обработки эко. периментальных данных. Результаты подтверждают существование двух механизмов горения: мелкомасштабного и крупномасштабного

Анализ погрешностей измерительной системы показал, что вероятная погрешность определённа скорости тепловыделения не превышает 15%, окороети распространения пламени - 20%.

В главе 4 на основе анализа экспериментальных данных представлена упрощенная физичеокая модель огорания в ДВС о ио кровыы зажиганием. Показано, что коэффициент , учитывающий влияние туроулентнооти на скорость распространения пламени, не удаетоя овязать непосредственно с параметрами процесса Однако имеегоя четкая обратная зависимость этого параметра от текущего количества выделившегося тепла. Связь эта физичеоки оправдана: она выражает тот факт, что и скорость тепловыделения, и коэффициент лй зависят от турбулентности в процеосе горения. Анализ и сопоставление полученных результатов о известными теориями турбулентнооти позволяют утверждать, что коэффициент определенным образом отражает масштаб турбулентности .

Выше отмечалось, что' огорание в двигателе о искровым 3) жиганиеи включает два разнородных механизма переноса, причем тог или иной механизм превалирует в зависимости от того, насколько фронт пламени приближается к отенкам камеры огорания Для формирования модели необходимо выявить границы зон дейст. вия этих механизмов. Сопоставление экспериментальных данных, положений теории турбулентнооти и литературных источников, в чаотнооти, выражения окороети тепловыделения по методу И.И.В бе, позволяет вывести выражения для толщины пристеночной об-лаотл

Оба выражения дают величины порядка 4-5 мы при диаметре цилиндра порядка 100 мм, что согласуется в данными экспериментов, выполненных о помощью кинорегистрации фронта пламени.

Далее излагается разработанная методика расчета выгорания, учитывавшая существование двух названных механизмов. Методика оонована на последовательном вычислении радиуоа фронта пламени, окорооть изменения которого вычисляется по формулам:

при

и

при ¿Л..

Соответственно двум механизмам коэффициент ^ вычисляет ся в первом олучае как

л

где # - конотанта камеры сгорания; «я? - доля огоревшего топлива в точке, соответствующей выходу фронта их прлотеноч-ной зоны; текущее тепловыделение.

Величиной х- следует задагьоя, а затем уточнить в итерационном процеоод.

Для второго олучая ~ а? ^ ¿е ^ ж &

Далее по известным формулам вычисляется текущий радиуо, окорооть тепловыделения и текущие параметры (давление и температура) в цилиндре.

На оокове этой методики проведены раечетн рабочих циклов для различных конфигураций камеры огорания:плооко-овальной, клинозодиной и шатровой. Для каждого варианта предварительно определялась геометрическая функция ~У~ / (/С). Исходные данные (ооогав смбои, давление и температура на ьпуоке, чаотота вращения, размеры цилиндра) во всех случаях оотавадиоь постоянными, что позволило выявить влияние формы камеры на параметры двигателя.

Результаты расчета показаны на рисунке I . Как видно, разработанная методика даёт близкие к реальным значения давлений и температур. Различия между вариантами по температурам и давлениям сравнительно незначительны. Однако различия в скорости тепловыделения вполне очевидны, причем более компактные варианты камер дают меньшую продолжительность сгорания, что ооглаоуетоя о известными из литературы экспериментальными •данными. При этой сокращение продолжительности сгорания приводит к повышению индикаторной работы на Ь - что ооответ-отвует экономическому эффекту в 15 - 20 г/кВтч.

* ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

X. Разработана нетодиха раочзта выгорания однородной (гомогенной) тошивно-воздушной омсои в цилиндре двигателя о искровым зажигание«.

2. Установлена овязь "функции турбулентности" о тепловыделением в камере сгорания:

при £ > ^ и

Л? <2

л

при с) .

Подучено уравнение движения оферкчеекого фронта вида:

Ht »'S. Se О CÏS^Mauk.

Зй ZU 21S DJ» 3¡s s<ii 3S. ЗЯ ÍÍO ü«

Pho; X. ? Результаты расчетов для рпздетныж камер огорания

4 >

где - нормальная окорооть распространения пламени,

3. Показано, что"функция турбулентнооти" отражает влияние лангр'анкевого масштаба турбулентнооти не диффузию кислорода во фронте пламени. Таким образом, в пристеночной облаоти превалирует мелкомасштабный перенос, обусловленный вязкими эффектами на отеике, а по мере ухода фронта пламени из приотеночной зоны превалирует крупномасштабный обмен о конечной амплитудой деформации фронта.

Показано, что масштаб турбулентнооти связен о без-

размерный тепловыделение зависимостью вида: - м

где

- влзкооть рабочего тела, 2г - время

от начала сгорания.

4. Разработанные представления о кинематике фронта пламени положены в оонову математической модели расчёта динамики тепловыделение и индикаторной диаграммы автомобильного двигателя о внешним гомогенным смесеобразованием.

5. Результаты выполненных исследований переданы для использования Заволжокому моторному заводу и внедрены в САПР

две.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: I.Петриченко Р.М.,Каницев A.B..Захаров Л.А.,Бассам Кондак-жи. Некоторые закономерности сгорания гомогенных топливно-воздушных смесей в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (инженерно-физический журнал ) 1990,т.59 № б , сс 942-947.