Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС

Кулешов, Андрей Сергеевич

Тепловые двигатели

автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС

доктора технических наук: Кулешов, Андрей Сергеевич
город: Москва
год: 2012
специальность ВАК РФ: 05.04.02

Диссертация по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению на тему «Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС»

Автореферат диссертации по теме "Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС"

На правах рукописи УДК 621.436

Кулешов Андрей Сергеевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС

05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

12ЯНВ2012

Москва - 2011

005007364

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Патрахальцев Николай Николаевич,

доктор технических наук, профессор Голубков Леонид Николаевич,

доктор технических наук, профессор Девянин Сергей Николаевич.

Ведущее предприятие: ОАО Коломенский завод

Защита диссертации состоится " 09." февраля 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.09 в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, Рубцовская наб., д.2/18, Учебно-лабораторный корпус, ауд.947.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.09.

Автореферат разослан "_"_201 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

Тумашев Р.З.

Общие по автореферату сокращения:

ДВС -двигатель внутреннего

сгорания; PCCI - Premixed Charge

Compression Ignition; CFD - Computational Fluid

Dynamic; SMD - Sauter Mean Diameter; HCCI - Homogenius Charge Compression Ignition;

ПП - пристеночный поток;

ПДП - противоположно

движущиеся поршни; КС - камера сгорания;

ОГ - отработавшие газы; ЭПТ - элементарная порция топлива

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время разработка новых и совершенствование выпускающихся ДВС не представляется возможной без проведения расчетных исследований на ЭВМ. Особую актуальность математическое моделирование и компьютерная оптимизация ДВС приобретают в условиях ужесточения нормативов на вредные выбросы с ОГ, требованиями высокой удельной мощности и экономичности, когда объем и стоимость экспериментальных работ радикальным образом возрастают. Ведущими научными центрами проводятся широкомасштабные исследовательские работы по оптимальной организации рабочих процессов двигателей, включая алгоритмы управления топливной аппаратурой дизелей, которые обеспечили бы установленные законодательством нормативы вредных выбросов.

Ввиду дефицита необходимого программного обеспечения, позволяющего решать указанные задачи, исследования в настоящее время проводятся в основном экспериментально. Существующие расчетные методы и реализующие их программы для моделирования процессов в ДВС можно разделить на термодинамические и численные методы механики жидкости и газа или СБО. И те, и другие не позволяют на сегодняшний день в полной мере решать задачи оптимизации рабочих процессов ДВС из-за отсутствия в своем составе достаточно надежных методов расчета смесеобразования и сгорания в дизелях и недостаточного быстродействия. Последнее особенно относится к СБО программам, требующим огромных вычислительных ресурсов. Для решения практических задач необходимы быстродействующие компьютерные программы, позволяющие надежно моделировать происходящие в двигателях сложные процессы, влияющие на эмиссию вредных веществ и позволяющие проводить значительную часть исследовательских работ по оптимизации рабочих процессов ДВС на ЭВМ.

Цель работы состоит в развитии научных основ расчета поршневых двигателей, разработке на их основе универсальных математических моделей и прикладных программ для термодинамического расчета двухтактных и

четырехтактных ДВС с уточненным рассмотрением процессов смесеобразования, сгорания и образования вредных веществ. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1. Разработать быстродействующие и универсальные алгоритмы расчета внутрицилиндровых процессов, процессов газообмена в двухтактных и четырехтактных ДВС, математические модели совместного расчета поршневых ДВС и агрегатов наддува.

2. Разработать феноменологическую модель сгорания в ДВС с воспламенением от сжатия, позволяющую учитывать развитие топливных струй, взаимодействие их с воздушным вихрем, со стенками и между собой, учитывать произвольную форму камеры сгорания и движение поршня, многоразовое впрыскивание и рециркуляцию отработавших газов. Модель должна быть универсальной, т.е. учитывать как традиционные методы организации рабочих процессов ДВС, так и современные, направленные на радикальное снижение выбросов вредных веществ.

3. Проверить корректность математических моделей путем сравнения расчетных данных с результатами экспериментов. Разрабатываемые модели должны описывать разные режимы работы ДВС без перенастройки эмпирических коэффициентов.

4. Разработать методы многомерной оптимизации рабочих процессов ДВС и критерии одновременной оптимизации расхода топлива, выбросов твердых частиц и оксидов азота.

5. Разработать комплекс программ для моделирования и оптимизации рабочих процессов ДВС с удобным пользовательским интерфейсом, системой контекстной справки, средствами для автоматизированного задания данных, облегчающими идентификацию математических моделей.

6. Применить разработанный комплекс программ для решения актуальных задач совершенствования дизелей.

Научная новизна работы заключается в выявлении особенностей протекающих в ДВС процессов, создании методов их описания и оптимизации, а также в результатах. В результате проведенных исследований были получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту диссертации:

1. Усовершенствована математическая модель смесеобразования и сгорания в дизеле, предложенная Н.Ф. Разлейцевым. Развитие модели позволило расширить область ее применения, учесть важные влияющие факторы и упростить процесс идентификации:

а) учтено взаимодействие топливной струи и ее пристеночного потока с воздушным вихрем, имеющим разные профили;

б) учтены: переносное влияние вихря, движение поршня, произвольный профиль камеры сгорания, боковое расположение распылителя, произвольная направленность каждого соплового отверстия;

в) дополнительно рассмотрены зоны пересечения пристеночных потоков соседних струй, наличие которых затягивает процесс сгорания.

2. Модифицировано уравнение A.C. Лышевского для расчета дальнобойности топливных струй, что позволило обеспечить его применимость, как для среднеоборотных дизелей, так и для современных высокооборотных двигателей.

3. Разработана методика расчета периода задержки самовоспламенения в дизеле, которая позволяет рассчитывать период задержки как для обычных двигателей, так и для двигателей с высокой рециркуляцией ОГ, многоразовым впрыскиванием и большим опережением начала топливоподачи.

4. Разработан алгоритм расчета параметров газа в открытой термодинамической системе на основе решения системы разностных уравнений баланса массы, энергии и уравнения состояния, который позволяет сократить время расчета рабочего цикла в 5 раз.

5. Разработан и апробирован алгоритм расчета газообмена четырехтактных и двухтактных двигателей, базирующийся на концепции среднестатистического цилиндра, учете нестационарности течения в клапанных каналах, учете теплообмена в каналах и коллекторах, учете зависимости коэффициента расхода окон от перепада давления и направления течения, а также на применении гипотез о полном перемешивании, послойном вытеснении и замыкании. Алгоритм позволяет рассчитывать газообмен в двухтактных и четырехтактных ДВС с высокой точностью и быстродействием.

6. Уточнена математическая модель образования сажи в цилиндре дизеля, учтены концентрация кислорода в процессе сгорания и изменение среднего диаметра капель топлива в процессе впрыскивания, что позволило повысить точность расчета.

7. В разработанную программу расчета рабочего процесса ДВС внедрена двухзонная модель образования оксидов азота по детальному кинетическому механизму, что позволяет проводить расчет эмиссии NOx в двигателях, как с традиционной, так и с современной организацией рабочего процесса, характеризующейся большой рециркуляцией ОГ и многоразовым впрыскиванием.

8. Проведены расчетные исследования, которые показали, что форма КС оказывает существенное влияние на рабочий процесс среднеоборотных дизелей только на режимах полной мощности, причем глубокие КС предпочтительны для нефорсированных дизелей, а мелкие - для высокофорсированных.

9. Разработаны математические модели и программные средства, которые позволяют расчетным путем оптимизировать законы управления топливной системой с электронным управлением, формируя на каждом режиме работы свою стратегию многоразового впрыскивания. Разработка такого алгоритма управления для дизеля 12ЧН 18/20 показывает возможность сниже-

ния расхода топлива на всех режимах тепловозной характеристики до 15 г/кВт ч и снижения эмиссии NOx в 2,5 раза.

Достоверность и обоснованность научных положений работы обусловливаются использованием общих уравнений гидродинамики, теплофизики и термодинамики, обоснованностью допущений, принятых при введении упрощенных физических и математических моделей, а также согласованием расчетных результатов с экспериментальными данными.

Практическую ценность работы представляют следующие новые методы, уравнения, разработки:

1. Впервые в России создан программный комплекс для исследования, проектирования и многопараметрической оптимизации двигателей внутреннего сгорания: двухтактных и четырехтактных, бензиновых, газовых и дизельных с различными схемами турбонаддува. Программный комплекс имеет систему контроля исходных данных, встроенную контекстную справочную систему, включая руководство пользователя, средства для быстрого задания данных, в том числе эмпирических коэффициентов расчетных методик, а также программу визуализации развития топливных струй в камере сгорания дизеля.

2. Разработанный программный комплекс для исследования и оптимизации ДВС позволяет удаленным пользователям работать с ним через Интернет.

3. Предложен вид целевой функции для многопараметрической оптимизации рабочего процесса дизеля, направленной на одновременное снижение эмиссии оксидов азота, твердых частиц и расхода топлива.

4. На основе проведенных расчетных исследований разработаны рекомендации по совершенствованию рабочих процессов перспективных двигателей производства ОАО "Пензадизельмаш" и ОАО "Звезда".

Реализация результатов работы имела место на МПО "Мотор" (г. Уфа); ОАО "Коломенский завод" (г. Коломна); ОАО "Горьковский Автозавод" (г. Н-Новгород); ОАО "КамАЗ" (г. Набережные Челны); ОАО "ЗИЛ" (г. Москва); ОАО "Заволжский моторный завод" (г. Заволжье); ОАО "Владимирский завод" (г. Владимир); ОАО "Алтайский завод прецизионных изделий" (г. Барнаул); ОАО "РУМО" (г. Н.Новгород); Istituto Motori-CNR (г. Неаполь, Италия); Aumet OY (г. Хельсинки, Финляндия); FT Engineering АВ (г. Вастерлянда, Швеция); ОАО "Пензадизельмаш" (г. Пенза); АО "Люлька-Сатурн" (г. Москва); PTL Powertrain Technology Ltd (г. Шорам-Бай-Си, Великобритания); Loremo AG (г. Мюнхен, Германия); Roos Diesel Analysis (г. Виспел, Нидерланды); WDL Ltd (г. Брайтон, Великобритания); Tandofer Inf. Kft (г. Кескемет, Венгрия), Heinzmann (Шенау, Германия), ОАО "Звезда" (г. С-Петербург); Centre for Energy Research Newcastle University (г. Ньюкасл, Великобритания). В МГТУ им. Н.Э. Баумана с 1999 г. разработанный программный комплекс используется в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях МГТУ и МАДИ; на юбилейной научно-технической конференции "165 лет МГТУ им. Н.Э. Баумана" (Москва, 1995); международном научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" (Владимир, ВГУ, 1997); научно-технической конференции "Двигатели внутреннего сгорания XXI века" (С-Петербург, 2000); международной научно-технической конференции "Автомобильный транспорт в XXI веке" (Н.Новгород, 2003); международном симпозиуме "Образование через науку" (Москва, МГТУ, 2006); международных научно-технических конференциях: "Двигатель-97" (Москва, МГТУ, 1997), "Двигатель-2007" (Москва, МГТУ, 2007), "Двигатель-2010" (Москва, МГТУ, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы, в том числе статей и материалов конференций - 52 и 1 авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем 236 стр., основного текста - 228 стр., приложений - 7 стр., имеется 97 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 158 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки быстродействующих методов расчета и оптимизации рабочих процессов ДВС и дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен аналитический обзор существующего программного обеспечения по моделированию рабочих процессов в ДВС, проведен анализ требований, предъявляемых к расчетным методам, предназначенным для расчета и оптимизации рабочих процессов ДВС в современных условиях. Показано, что существующие термодинамические методы расчета рабочих процессов и численные методы механики жидкости и газа (СРВ) не позволяют, на сегодняшний день, в полной мере решать задачи оптимизации рабочих процессов ДВС из-за отсутствия в своем составе достаточно надежных методов расчета смесеобразования и сгорания в дизелях и недостаточного быстродействия. Сформулированы цель работы и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены методы расчета параметров в цилиндрах и коллекторах поршневых двигателей, метод расчета образования сажи и описан подход к расчету эмиссии оксидов азота в современных двигателях; приведена методика совместного расчета поршневого ДВС и двухступенчатого агрегата наддува. Параметры газа в открытой термодинамической системе рассчитываются из известной системы уравнений сохранения (1) для идеального, калорически несовершенного газа, которую предложено преобразовать в систему нелинейных алгебраических уравнений (2).

и,

-Ui=-]p-dV + '£rj+Q,-Q„; G2-G,=2>G/; P-V = G-R-T. (1)

Gi + ZAGj-G> n + Zag, ,,

G,;

= V,

- rl> + AV;

Тг = Tx +

-b + ^]b2~4a( 2a

Рг =

b=G,

где: концентрация продуктов полного и совершенного сгорания в массе р, Т, I V, Ц /*, а, Л - давление, температура, К и температура, С, объем, внутренняя энергия, полная энтальпия, теплота от сгорания и те-(2) плота, отданная в стенки, а также газовая постоянная соответственно. Индексы 1 и 2 соответствуют началу и концу расчетного шага в термодинамическом процессе, индекс _/ указывает на источник массы и энтальпии. В системе уравнений (2) приняты следующие обозначения:

711 йг 2 1 4

du„

и0(п) AG + G2—2-Дг + Ск(гр i,)«! AG + G2 f, dr

dCrM

Ar + S-Gj -Г,+

5 =

R-AV

Vl +AV/2'

где: щ - удельная внутренняя энергия газа при температуре t = 0°С, Су -средняя теплоемкость. Сравнение быстродействия различных методов на тестовой задаче расчета процесса адиабатного сжатия газа в поршневом компрессоре, показало, что представленный метод разностных уравнений (при одинаковой точности) превосходит, более, чем в 5 раз, наибыстрейший из традиционных методов, основанных на решении системы дифференциальных уравнений.

Анализ применимости квазистационарного метода расчета газообмена по отношению к разным двигателям показал возможность его широкого применения при условии учета нестационарности течения в клапанных каналах путем использования для расчета скорости течения решения A.C. Орли-на, полученного интегрированием уравнения движения. Скорость течения в конце канала в конце расчетного интервала времени WL рассчитывается как:

(ИГ, + ид-га +

(Wi +Wa)- expl —

• Wn =

-(Щ-Ю

2 к fc + l"

R-T

Pc >ffc + 1>-'

IF—>

2k к-

R-T.

P, V 2 J

где: рс, Тс - давление и температура газа в цилиндре, рг - давление газа в выпускном коллекторе, - скорость в конце канала в начале расчетного интервала времени, 1СГ - длина канала, 1¥а - скорость стационарного течения, Лт- расчетный шаг по времени. Для расчета процесса газообмена в двухтактных ДВС использованы комбинации гипотез о послойном вытеснении и полном перемешивании - для прямоточных схем продувки, и о послойном вытеснении и замыкании - для петлевых схем. Показано, что такой подход в сочетании с ограничением максимальной скорости истечения <(0.75... 0.85), а также с учетом зависимости коэффициента расхода в окнах двухтактных ДВС от перепада давления, позволяет с высокой точностью моделировать процесс газообмена двигателей разной размерности и быстроходности, и, в том числе, получить расчетным путем наблюдаемый в экспериментах обратный перепад давления между цилиндром и выпускным коллектором в короткий период окончания свободного выпуска, рис. 1.

Рис. 1. Изменение давления в цилиндре, впускном и выпускном

коллекторах дизеля 6ЧН30/38, (противодавление на выпуске рто = 0,51 бар)

Для расчета коэффициента теплоотдачи в цилиндре используется формула Вошни, для коэффициентов теплоотдачи в коллекторах и каналах -формулы В.И. Ивина и JI.B. Грехова. Температуры стенок рассчитываются решением задачи теплопроводности многослойной стенки. Примеры результатов расчета газообмена двухтактных: 1 ОД 100 (с ПДП) и 6ДКРН 74/160 (с прямоточно-клапанной продувкой) представлены на рис. 2 и рис. 3.

С помощью программы ДИЗЕЛЬ-РК, в которой реализована описанная методика расчета газообмена, компанией General Motors была выполнена серия расчетов рабочего процесса дизеля 4ЧН 8,2/8,2. Без перенастройки программы были выполнены расчеты 89 рабочих режимов двигателя на разных

Дизель 10Д100 (10ДН20,7/2x25,4)

Ne=2200 кВт, и=850 мин'1

150 175

Угол п.к.в., фад

Рис. 2. Изменение эффективного проходного сечения окон, давления в цилиндре, впускном и выпускном коллекторах, а также расхода газа через впуск и выпуск двухтактного дизеля 1 ОД 100

Дизель

6ДКРН 74/160

№2=7800 кВт, и=120 мин"1

град

Рис. 3. Изменение эффективного проходного сечения окон, давления в цилиндре, впускном и выпускном коллекторах, а также расхода газачерез впускные и выпускные окна двухтактного дизеля 6ДКРН 74/160

частотах вращения, с разной мощностью и разной степенью рециркуляции ОГ. Результаты расчета сопоставлены с результатами измерений. Сравнение расчетного и замеренного расхода воздуха представлено на рис. 4. 180 160

а> 140 т

£ 120 100 80

80 100 120 140 160 180 Эксперимент

Рис. 4. Сравнение расчетного и замеренного расхода воздуха дизеля 4ЧН 8,2/8,2 для 89 рабочих режимов с разной мощностью и разной степенью рециркуляции ОГ (данные получены и предоставлены компанией General Motors)

Расчет эмиссии сажи строится на уточненной модели Н.Ф. Разлейцева, где предложено на участке впрыскивания и после его окончания использовать текущий средний диаметр по Заутеру вместо среднего d32, принятого у Н.Ф. Разлейцева, а также ввести коэффициент окисления к02 в уравнение скорости выгорания сажи, который учитывает свойства топлива и текущее количество воздуха при сгорании каждой порции топлива при многоразовом впрыскивании. Коэффициент окисления рассчитывается по формуле:

\ (с н о ^ (с н\

где: + —-—Ь №=1^- + у1 + 0.791ау"о; а - коэффициент из-

бытка воздуха при сгорании; * - доля выделившейся теплоты; С, Д О -массовые доли углерода, водорода и кислорода в топливе.

На рис. 5 представлены результаты расчета эмиссии сажи безнаддувного дизеля Lombardini 15LD350 (14 8,2/6,6), работающего по нагрузочной характеристике на частоте вращения 3600 мин"1. Скорость впрыскивания этого дизеля была рассчитана на основании экспериментально замеренных диаграмм давления в топливном трубопроводе высокого давления и диаграмм подъема запорной иглы форсунки на пяти режимах нагрузочной характеристики. Экспериментальные данные предоставлены компанией Lombardini. Следует отметить, что расчет эмиссии сажи лишь по среднему за весь период впрыскивания диаметру капель без учета его резкого роста в начале и, особенно, в конце топливоподачи, а также принятие коэффициента окисления к02 постоянным, существенно ухудшает результаты расчета и не

позволяет добиться удовлетворительного согласования расчетных и экспериментальных данных.

Рис. 5. Результаты расчета эмиссии сажи и Ж)х одноцилиндрового дизеля ЬотЬагсПш 151Л)350 (14 8,2/6,6): а) средний диаметр капель по Заутеру (8МБ) для уровней мощности 100% (ре=4,6 бар), 50%, 10%; и соответствующие характеристики впрыска; б) изменение эмиссии сажи и Ж)х по нагрузочной характеристике

Для расчета эмиссии Ж)х применяется методика, учитывающая как оксиды азота, образующиеся по «термическому» механизму Зельдовича, так и «быстрые» оксиды азота, образующиеся непосредственно в зоне горения в результате связывания молекул азота углеводородными радикалами. Последнее особенно актуально для современных двигателей с многоразовым впрыскиванием топлива, двигателей с высокой рециркуляцией ОГ, а также для ДВС, работающих на альтернативных топливах. При этом используется детальный кинетический механизм, который включает в себя как реакции образования «термических», так и «быстрых» оксидов азота. Принято, что сгорание сложных углеводородов происходит в две стадии: 1- быстрый распад молекулы топлива на радикалы и молекулы с меньшим числом атомов (кинетика описывается 40 реакциями с участием 10 компонентов); 2 - более медленный процесс догорания, в котором используется неэмпирический детальный кинетический механизм сгорания метана. Кинетическая схема обра-

зования NOx при сгорании метана построена на основе кинетической схемы В.Я. Басевича, взятой из работ М.В. Бочкова и JI.A. Ловачева. Программа написана A.B. Козловым и М.П. Гириновичем. Результаты расчета в сравнении с экспериментальными данными представлены на рис. 5.

Организация рабочих процессов современных дизелей предусматривает высокую степень рециркуляции ОГ (до 40-50%) и применение двухступенчатого наддува с тгк > 5. Для совместного расчета поршневого ДВС с двухступенчатым свободным турбокомпрессором разработан итерационный алгоритм, использующий характеристики турбин и компрессоров ступеней высокого и низкого давления. Использование этого алгоритма позволяет рассчитывать характеристики КДВС при разных условиях эксплуатации. Результаты расчета рабочего процесса КДВС 6ЧН30/38 с двухступенчатым наддувом в сравнении с экспериментальными данными представлены на рис. 6. Экспериментальные данные получены и предоставлены ОАО Коломенский завод. Хорошее совпадение расчетных данных с результатами измерений по всей нагрузочной характеристике говорит о работоспособности приведенного алгоритма и возможности его использования для решения задач подбора агрегатов наддува к поршневому двигателю с целью формирования его эксплуатационных характеристик.

Исследовательская задача, связанная с поиском рационального сочетания сразу нескольких параметров двигателя может быть сформулирована как задача отыскания экстремума целевой функции (или функционала) от вектора независимых переменных: Z,- (XJ, к=1, п; в пространстве решений Е(Хк), при наличии т ограничений типа неравенств Y,(X^ > 0, i=l,m. В вектор независимых переменных Хк могут входить: степень сжатия, опережение впрыскивания, диаметр, число и направленность сопел распылителя, форма камеры сгорания, интенсивность вихря, фазы газораспределения, параметры тур-бонаддува и пр.; ограничения У^Хц) включают в себя параметры, ограничивающие работоспособность ДВС. Поскольку теория нелинейного программирования не дает ответа на вопрос о том, какие методы лучше, а какие хуже, то для решения одной и той же задачи следует применять несколько поисковых методов и сравнивать результаты между собой. В библиотеку программы ДИЗЕЛЬ-РК заложены 14 алгоритмов оптимального поиска. Для учета ограничений применяется метод штрафных функций. Выбор целевой функции при минимизации выбросов вредных веществ сопряжен с определенными проблемами, ибо организация рабочего процесса ДВС с минимальными выбросами NOx будет существенно отличаться от той, что обеспечивает минимальную эмиссию твердых частиц и минимальный расход топлива. Поэтому в качестве функции цели рационально использовать комплексы суммарной эмиссии, в которых уравновешиваются разные составляющие, например, простейшим образом: SE = -JnOx2 + РМ2, или, как это сделано в

работах Montgomery и Reitz, или Desantes с соавторами. В связи с тем, что «перевыполнение» нормативов не нужно, в данной работе предложен такой

№. кВт

Рис. 6. Сравнение расчетных и экспериментальных значений параметров рабочего процесса среднеоборотного дизеля 6ЧН30/38 при его работе по нагрузочной характеристике с противодавлением на выпуске 0,51 бар

вид целевой функции, который способствует поиску минимума расхода топлива без превышения требуемых значений эмиссий:

+ —, где: ml, т2 — показатели степени,

Ье0

равные 1, если необходимо увеличить строгость ограничений, то эти показатели следует увеличить; PMnNOx - текущие значения эмиссии твердых частиц и оксидов азота, г/кВтч; Ье - удельный эффективный расход топлива, г/кВтч. Индекс «0» означает опорные значения эмиссий, определяемые отдельно в каждом случае в зависимости от законодательных нормативов и типа двигателя.

В третьей главе рассмотрены методы расчета сгорания в дизелях. Сформулированы требования к математическим моделям сгорания и проведен анализ существующих методик расчета, включая 3D методы и феноменологические методы разных авторов, построенные на зонных принципах разбиения дизельной струи. Сделан вывод о перспективности совершенствования модели Разлейцева в следующих направлениях: учет влияния вихря на траекторию движения струи и на развитие конфигурации пристеночного потока; учет движения поршня; учет произвольного положения распылителя и индивидуальной ориентации каждого из распыливающих отверстий. Кроме того, разрабатываемая модель сгорания в дизеле и программа, ее реализующая, должны быть адаптированы к процессам с многоразовым впрыскиванием, с высокой степенью рециркуляции ОГ, с PCCI и, в перспективе, с HCCI процессом. Степень детализации рассматриваемых процессов должна быть таковой, чтобы с помощью такой программы было можно решать вопросы оптимального конструирования топливной аппаратуры, профилирования формы камеры сгорания, управления топливоподачей, рециркуляцией ОГ и пр. Разработка такой модели сгорания является одной из задач настоящей работы. В данном автореферате приведено описание лишь авторского вклада в развитие и модификацию модели Н.Ф. Разлейцева, сама модель не приводится ввиду ограничения объема.

Для расчета расстояния от сопла до вершины топливной струи разработано большое количество эмпирических уравнений. Наибольшее распространение у нас в стране получили формулы В.И. Тру сова - JIM. Рябикина и A.C. Лышевского, а за рубежом - формула Hiroyasu и Arai. В данной работе зависимость длины струи от времени рассчитывается по эмпирическим модифицированным уравнениям A.C. Лышевского. В уравнениях используются безразмерные критерии:

We = Uln dn pf/cFf ; М = M}/[pf dn af); Э = г* afj[pf dl); p = pairjpf , (3)

где: Uom - средняя скорость истечения из сопла форсунки, d„ - диаметр сопел, р/ - плотность топлива, pair - плотность воздуха, а/ - коэффициент поверхностного натяжения топлива, pf - коэффициент динамической вязкости топлива, т, - время от начала впрыскивания. Развитие свободной струи раз-

деляется на два основных участка: начальный и основной. Граница между участками обозначена lg, а время развития струи до границы - rg:

lg=CsdnWi^p^ vg=Ig/ Bs; Bs =d„ U0m »M™p), (4)

где: Cs = 8,25+8,85, Д = 4,5+5 для условий цилиндра дизеля. Длина струи на начальном (индекс а) и основном (индекс Ь) участках рассчитываются с помощью уравнений: /„ =4Э°'35ехр[-0,2(г5Дг| 1Ь = 5°'5г°'5; (5)

а углы контура струй по уравнениям: уа =2Arctg[Es wS,35Af0/n3'<),np0':'e'"7T''T'); уь = 2Arctg(Fs We0'32M~0'073~0,'2p0,sj; А, =\.22!^35; Es =0.932^^-°даЭг°'12. (6) Критерий Эг рассчитывается по уравнению (3) с подстановкой ts = rg, Fs = 0,0075+0,009. Вид уравнения для 1Ь (5) аналогичен уравнениям, опубликованным в работах Кио, а также Hiroyasu и Arai. Уравнения (4) и (5) были получены A.C. Лышевским для дизелей с диаметром сопловых отверстий свыше 0,3 мм. Использование уравнений A.C. Лышевского для расчета дальнобойности струй в современных высокооборотных двигателях с меньшим диаметром сопел приводит к заметному занижению результатов. Чтобы сделать модель универсальной и приемлемой для дизелей с малым диаметром сопловых отверстий, для расчета Ds в данной работе предложено уточнение к уравнению (4), полученное путем обработки экспериментальных данных разных авторов по измерению дальнобойности струй при разных диаметрах сопел (от 0,11 до 0,27 мм) и разных давлениях впрыскивания (от 300 до 1200 бар), опубликованных в разных работах. Параметр Ds в уравнении (4) предлагается вычислять по формуле:

~ f 2>9 г/ d > 0,3]

D--14-21'* ^={2,9 {a.dl+b.dl+cdn+d) ifdn< 0,з|' <7> где: dn - диаметр сопел, мм; а = 9,749; Ъ = 7,45; с = -7,21; d = 2,224. На рис. 7 представлено сравнение экспериментальных данных и результатов расчета дальнобойности струй с использованием уравнений Hiroyasu и Arai, а также уравнений A.C. Лышевского: оригинального и модифицированного. Анализ данных рис. 7 показывает, что модифицированное уравнение A.C. Лышевского, с учетом формулы (7) лучше, чем другие, описывает зависимость протяженности топливных струй от времени при разных давлениях впрыскивания и диаметрах сопел. Контуры струи, рассчитанные по уравнениям (6) и (7) представлены на рис. 7 в сравнении с расчетными и экспериментальными данными разных авторов: а) рассчитанные Reitz и Вгассо с помощью программы KIVA; б) полученные экспериментально Dan; в) рассчитанные Jung и Assanis по методу Hiroyasu и Arai; г) рассчитанные по уравнениям (6) и (7).

При наличии вихря в КС, струя смещается в тангенциальном направлении, как показано на рис. 8. Влияние вихря на смещение оси струи у и на деформацию поперечного сечения ядра струи у3 и у4 можно рассчитать, учитывая локальную тангенциальную скорость вихря W„ зависящую от относи-

тельного радиуса R: Wt= хК f(R) R n я!30, где: Rs - вихревое число, n -частота вращения коленчатого вала, R - текущий радиус, х - коэффициент затухания вихря, зависящий от текущего угла поворота, f(R) - профиль вихря, зависящий от способа продувки цилиндра. Характерные значения тангенциальной скорости вихря в функции от относительного радиуса для четырехтактных двигателей и двухтактных двигателей с прямоточной продувкой представлены на рис. 9. Затухание вихря вследствие потерь и влияние формы камеры в поршне на эпюру тангенциальной скорости заряда рассчитывается на основе уравнения сохранения момента количества движения методом, приведенным A.C. Хачияном, В.Р. Гальговским и С.Е. Никитиным

60 50

I 40

1 30 6 | 20

et 10

1 Рвпр = 300 бар

ä„=i )Д1мм

Рвпр- 1100 бар

360 365 370 Угол п.к.в., град

360 36S 370 360 366 370 375

Угол п.к.в.. град. Угол п.к.в., град

у/ У

/ Рвпи = 100 бар

ВО 70 = 60 i so

6 40

I30 20

360 365 370 Угол п.к.в., град

" /

Рвпр - 1200 бар

ä„=о 37 мы.

7 ♦

365 370 360 365 370 375

Угол п.к.в.. град Угол п.к.в.. град

— Уравн. Хироясу — Оргин. уравн. Лышевского • Эксперимент — Мод. уравн. Лышевского

Давление впрыска 1200 Бар, Время 1 мс

360 365 370 375 Угол П.К.В.. град

Рис. 7. Зависимость длины струи от угла п.к.в. вычисленная для

разных диаметров сопел по уравнениям Нлгоуаэи и Лышевского; контуры струи для диаметра сопла й?„= 0,2 мм

Рис. 8. Схема струи и ПП в

условиях тангенциального вихря

для четырехтактных двигателей. Расчет эпюры вихря для двухтактных двигателей с прямоточной продувкой построен по той же схеме, только с другим профилем скорости, полученным в экспериментальных работах A.C. Орлина, М.Г. Круглова, Nakagawa, Oda и др.

Тангенциальная скорость ЭПТ в направлении вихря U, определяется по методу, опубликованному Ю.Б. Свиридовым, JI.B. Малявским и М.М. Вихертом:

dUjdr = Awt ff/-5; Аw,= 0,75Ср v°-5d£s, (8)

где: С «2 - эмпирический коэффициент, v - вязкость воздуха, d¡2 - средний диаметр капель по Заутеру. Смещение оси струи из-за переносного влияния вихря на каждом временном шаге определяется как: Лу = U, Ar cos/?, где: Ат - шаг по времени, ß — текущий угол между радиусом и осью струи в ее вершине. Деформация вихрем наветренной Ау3, и подветренной Ду4 образующих ядра струи на каждом временном шаге рассчитываются как:

Ау3 = -СхА„(Р,-и,) Arcos/7; Aj,4 =CwAwl {Wt-Ut) Ат oosß , (9) где: C30& 0,2 и Сюм 1,6.

Форма ПП и скорость его растекания в различных направлениях зависят от угла встречи струи со стенкой у^ (j — 1, 2, 3, 4) (см. рис. 8) и влияния воздушного вихря. Углы встречи струи со стенкой yj рассчитываются с учетом переноса струи вихрем, движения поршня и формы камеры сгорания в районе соударения. Камера в поршне представляется как тело вращения, где образующая задается последовательностью точек с заданными координатами и соединенными отрезками. Протяженность ПП в каждом направлении lWJ- (j =1, 2, 3, 4) без учета вихря определяется из соотношений, предложенных В.В. Гавриловым и Н.Ф. Разлейцевым:

Рис. 9. Эпюры скорости тангенциального вихря для четырехтактных ДВС и для двухтактных дизелей с прямоточной продувкой

С Прямоточная

продувка

Kj = К J B°J r°J5; TW = TS-TSW; 5IW = M/im»~/J]2/(rsm,x-rJ, (10) где: ф = 0,6 - коэффициент потерь, гш - момент времени встречи струи со стенкой, rsmax= Tinj + (0,3+0,5)10~3 - время полного развития струи, с, 1Ьтах -максимальная длинна струи при ее свободном развитии, lw - расстояние, пройденное струей до стенки. На основании скоростной киносъемки развития струй в бомбе, имитирующей форму поршня, В.В. Гавриловым предложено следующее уравнение для расчета Kj при отсутствии вихря: Kj = д/sin у, sin у3 + l,2(l - sin уj )- 2(cos у j f ■ При наличии тангенциального вихря длину образующей пристеночного потока в наветренном направлении 0'=3) предлагается рассчитывать по эмпирическому уравнению:

lwj = KjB^t^5 - 0,0008Ам J Wt dr. Скорость переноса вихрем подветренной образующей пристеночного потока U,p предлагается вычислять по уравнению: dUtpjdT

= 0,2 Л, К

~Utp\' , а длина подветренной образующей (/-4) рассчитывается как: lwj = KjBI'^t^5 + juф dr .

Для визуализации результатов расчета развития струй и ПП, в рамках данной работы была разработана специальная программа: Fuel Spray Visualization. Представленные ниже изображения развития струй получены с ее помощью. Сравнение расчетных изображений развития струй и ПП с результатами киносъемки для тракторного дизеля: S/D =140/120, «=1800 мин"1 представлены на рис. 10.

Рис. 10. Сравнение расчетных (а) Рис. 11. Характерные зоны дизельной изображений развития струи, предложенные

струй и ПП с результатами Н.Ф. Разлейцевым

киносъемки (Ь)

В оригинальной модели сгорания Н.Ф. Разлейцева струя впрыснутого топлива делится на 9 характерных зон, рис. 11. Каждая зона характеризуется своими условиями испарения и сгорания; и эти условия полагаются одинаковыми внутри данной зоны. Пока струя не коснулась стенки, рассматриваются только 3 характерные зоны: 1 - уплотненное осевое ядро; 2 - уплотненный передний фронт; 3 - разреженная оболочка. Негомогенный по струк-

туре, плотности и температуре ПП, образующийся после соударения струи со стенкой, разделяется на характерные зоны с приблизительно одинаковыми условиями тепло- и массообмена внутри каждой зоны по аналогии со свободной струей: 4 - осевое коническое ядро ПП; 5 - уплотненное ядро ПП на поверхности поршня; 6 - уплотненный передний фронт ПП; 7 - разреженная оболочка ПП. Если в процессе развития струи топливо попадает на зеркало цилиндра и на поверхность крышки цилиндра, то, наряду с упомянутыми, выделяются еще 2 соответствующие зоны. Если ПП соседних струй пересекаются, то в данной работе предложено выделять еще одну, десятую зону.

Толщина переднего фронта струи рассчитывается как:

Ът=Ат1Р^М^р»'\ (П)

где: Ат ~ 0,7 - эмпирический коэффициент. Ниже приводится последовательность расчета распределения топлива в зонах в каждый момент времени т3 (изменяющийся от 0 до тах с некоторым шагом):

1. Доля топлива впрыснутого в цилиндр о; определяется по характеристике впрыскивания: <т=/(г).

2. Длина струи / для текущего момента времени г, рассчитывается по уравнениям (5).

3. Момент впрыскивания ЭПТ, заторможенной в переднем фронте на расстоянии / от сопла, определяется как: г = - тт, где тт определяется из: 1=иотт/3. (12)

4. Доля топлива а,, впрыснутого в цилиндр в момент времени т, определяется из закона впрыскивания: а-/(г).

5. Расстояние между соплом и контрольным сечением, расположенным позади переднего фронта, рассчитывается как: 1к = 1-Ьт (см. рис. 11 и уравнение (11)).

6. Время впрыскивания ЭПТ, достигшей контрольного сечения струи ть рассчитывается по уравнениям (12, 5) и уравнению, описывающему дви-

жение ЭПТ: к

1-Ь.

Т,

7. Доля топлива сгк, впрыснутого в цилиндр в момент времени тк, определяется из закона топливоподачи: а= /(т).

Распределение топлива между зонами свободной струи рассчитывается шаг за шагом по следующим уравнениям:

- вядре: сг^ = (а, ~ак)(1-0,11к //);

- во фронте: а{гМ = 0,8 (<тк -а,)А;

- в оболочке струи: аепу = + 0,2(а, - о, )+(о,-ак) 0,11кИ ;

- в ГШ: aw = 0,8 (ак -a,)(l-A), где: А = 1 перед соударением струи со стенкой и А = 0 после соударения.

Для расчета распределения топлива после соударения струи со стенкой Н.Ф. Разлейцевым предложено вводить дополнительное контрольное сечение lk = lw, чтобы определить долю топлива, распределенного в зонах ПП: в разреженной оболочке ПП a w еяп в ядре ПП <jv соге и во фронте ПП а„/г. Расчет этих параметров построен по тому же самому алгоритму.

- Если пятно ПП достигает короны поршня, то доля топлива в этой зоне с crom определяется соотношением:

аcrown = aW Krown/Vw ■ (13)

- Если передний фронт ПП касается поверхности крышки цилиндра, как показано на рис. 11, то доля топлива осевшего на поверхности крышки ahead определяется соотношением:

ahead ~ awfr ^head/^w fr J awfr~ °w fr ~ ®head ■ (14)

Условие попадания топлива на поверхность крышки цилиндра описывается соотношениями: hwfr = Fsw lwi We0,32 М~°'07 р0'5 > hdr, (15) где: hw fr - высота переднего фронта ПП (см. рис. 11), hc!r - текущий над-поршневой зазор, зависящий от текущего угла поворота, Fsw ~ 1,5 F,.

Если ПП достигает зеркала цилиндра, доля топлива в зоне зеркала с шгг определяется соотношениями:

аliner ~ aW VlinerlVw '> Сliner -^~VlinerlVW • (16)

Если расположенные рядом пристеночные потоки пересекаются, то доля топлива в зоне пересечения a cross определяется как:

^cross^^crossl^W (^wcore ^vv/r °iv«iv)> (17)

где: Aw_em & 0,5 - коэффициент, учитывающий снижение скорости образования разреженной оболочки из-за пересечения пристеночных потоков. Доли топлива, оставшегося в зонах 1111, рассчитываются как:

^wcore ~~ ^wcore (l ^cross I^W )>

°\v/r = v/fr (l _ ^стом /^W )> ^wenv = CTwenv(l — ^venv Kmss/^iy} (18)

Суммарная доля топлива в ПП одной струи: <JW = crwcore + crwfr

^wenv'

Объемы характерных зон: Vw, Vcrown, Vhead, Vwfn Vnmn Vcross в уравнениях (13-18) рассчитываются, как объемы пространственных геометрических фигур, отсекаемые плоскостями или другими пространственными геометрическими фигурами от соседних. Громоздкие формулы для расчета пересечения пространственных фигур в целях упрощения здесь не при-водятсВезультаты расчета распределения топлива по зонам для различных дизелей представлены на рис. 12. Все расчеты выполнены с идентичными

значениями всех эмпирических коэффициентов. Если распылитель расположен не в центре камеры сгорания, или его сопла ориентированы не симметрично (рис. 12-а), то в этом случае каждая струя рассчитывается независимо, с тем, чтобы учесть особенности ее взаимодействия с вихрем, а также индивидуальные: время, место и угол столкновения со стенкой. Кадры а, Ъ, с на рис. 12-а соответствуют разным углам поворота кривошипа, они иллюстрируют разные фазы соударения струй со стенкой. В компактной камере сгорания дизеля грузового автомобиля имеет место недостаток пространства для свободного развития ПП. Пересечение отдельных пристеночных потоков

Рис. 12. Результаты расчета распределения топлива по характерным зонам: а) в камере сгорания дизеля ЯМЗ; б) в камере сгорания дизеля Д49

имеет место уже в середине периода впрыскивания, см. кадр Ь. Значительное возрастание доли топлива в зонах пересечения ПП имеет место в конце впрыскивания (см. рис. 12-а, кривая и и кадр с). Из-за этого негативного эффекта количество топлива в зоне разреженной оболочки становится меньше (см. кривую ает + сг„/-г + ажт на рис. 12-а), и скорость сгорания в этот период снижается. Если же распылитель расположен в центре КС и струи ориентированы симметрично относительно центра, как показано на рис. 12-б, то рассчитывается только одна струя. Далее, полученные результаты суммируются. Обычно, в среднеоборотных дизелях с камерой сгорания типа Гессельман струи имеют больше пространства для свободного развития, поэтому больше топлива распределяется в зонах с хорошими условиями смесеобразования и сгорания: во внешней разреженной оболочке и переднем фронте струи (см. кривую ает + ак/г + а„ет на рис. 12-6).

Метод расчета периода задержки самовоспламенения должен позволять моделировать не только традиционные условия работы дизеля, но и условия с высоким (до 70%) уровнем содержания ОГ в свежем заряде. Он должен позволять учитывать отрицательные углы опережения впрыскивания или, наоборот, очень большие углы опережения впрыскивания (до 100 ... 120 град, до ВМТ), что характерно для PCCI, а также расчет задержек для каждой порции при многоразовом впрыскивании, когда топливо второй, третьей и последующих порций может быть подано в цилиндр после ВМТ с большой задержкой и в газовый заряд, содержащий значительную долю продуктов сгорания предыдущих порций. Эти специфические условия не позволяют использовать для расчета периода задержки самовоспламенения классические формулы в исходном виде. Для решения этой проблемы, в настоящей работе на основании анализа экспериментальных данных для разных двигателей, были получены соотношения, позволяющие рассчитывать период задержки для каждой порции топлива при многоразовом впрыскивании. Период задержки самовоспламенения ц для каждой ^-порции определяется с учетом изменения параметров заряда во время самой задержки двумя способами: либо методом интегрирования выражения (19), предложенного Liven-good и Wu, либо пошаговым расчетом задержки от угла начала впрыскивания ©i до момента, когда угол начала сгорания &с = 0t + 6 п tv начнет увеличиваться. Период задержки в каждый момент времени предлагается рассчитывать как: Xtj = Tit С, Сп где: ru - период задержки самовоспламенения j-порции, полученный по модифицированной эмпирической формуле А.И. Толстова (20); С, - коэффициент, учитывающий рост температуры во время периода задержки для >порции; С, - коэффициент, учитывающий концентрацию продуктов сгорания в цилиндре во время периода задержки j-порции.

T'r dr

= 1; (19)

о С, Tit

г„ = 3.8-10~6(l-1.6-10~4n) I— ехр

v8.3122" CN + 25

(20)

С, =1, if х,> 30;

С, =-4-10"7л:(3 +5-10"5jc,2 -0.0032*, +1.0832 ifx, <30;

Т -Т

J& в-'-б п,

1000

где: Еа = 23000+28000 - условная энергия активации предпламенных реакций, кДж/кмоль; СМ- цетановое число топлива; Тир- текущие температура и давление, МПа в цилиндре; п - частота вращения коленчатого вала; Т& и Тв~1 - средние значения температуры в цилиндре в данный момент времени

и на предыдущем шаге (шаг расчета - 1 град п.к.в.). Зависимость С, = f(xj представлена на рис. 13 -а. Сг рассчитывается как функция от доли стехио-метрических продуктов сгорания г в объеме цилиндра во время периода задержки самовоспламенения. Зависимость Cr= f (г) полученная путем обработки экспериментальных данных, опубликованных разными авторами, представлена на рис. 13-6.

Для учета влияния величины цетанового числа топлива, в формулу А.И. Толстова (20) добавлен элемент из уравнения Hardenberg и Hase, имеющего такую же структуру.

Рис. 13. Поправочные множители: а) С, учитывает изменение Т во время периода задержки самовоспламенения; б) Сг учитывает концентрацию продуктов сгорания. Обозначения: А - Bakenhus и Reitz; 0 - Schneider, Stockli, Lutz, Eberle; О - данные Коломенского завода; данные Kwon, Arai, Hiroyasu полученные в бомбе при температурах: * - Г=700 К; х - Т=773 К; + - Г=823 К

Результаты расчета периода задержки самовоспламенения в сравнении с экспериментальными данными для различных дизелей для разных режимов представлены на рис. 14. Отличия между интегральным способом расчета по уравнению А.И. Толстова и пошаговым методом наталкивают на мысль использовать среднеарифметическую величину от двух результатов. При малых задержках оба способа дают практически идентичные результаты, хорошо совпадающие с экспериментом для разных двигателей, разных уровней форсирования и частоты вращения, а при больших задержках именно средняя арифметическая величина дает корректные результаты. Т.е. этот метод является достаточно универсальным, поэтому он и принят в дальнейшем.

Для расчета скорости испарения топлива используются допущения и уравнения, разработанные Д.Н. Вырубовым и распространенные Н.Ф. Раз-лейцевым для использования в условия характерных зон топливной струи. Для расчета констант испарения в зонах пристеночных потоков Н.Ф. Разлей-цевым предложено использовать температуры близлежащих стенок Twi в ка-

честве характерных температур этих зон: Tki = Twi. На основе опыта идентификации модели сгорания для разных двигателей, работающих на разных режимах, включая холодный пуск, в данной работе была разработана более точная зависимость для расчета температуры Тк{.

550 if 2;,. <400

Tki=\aTli+bTl+cTwi+d if 400 < Ты < 700 700 if 700 < TV

где: а = 0,000000243; b = 0,001018; с = -0,8543; d =709,555.

120

Период задержки самовоспламенения,

град. П.К.В. 100

0 0

Рис. 14.

5 Ю 15 0 20 40 60 80 100 120

Эксперимент Эксперимент

Сравнение результатов расчета периода задержки

самовоспламенения с экспериментальными данными.

Обозначения: о - пошаговый расчет по уравнению (20);

Д - интегральный расчет по уравнениям (19-20);

♦ - средняя величина от интегрального и пошагового методов; ® - расчет по уравнению Мичиганского университета;

♦ - расчет по уравнению Hardenberg и Hase

В четвертой главе приведены примеры расчета тепловыделения и эмиссии вредных веществ в разных дизелях на разных режимах и сопоставление расчетных данных с экспериментальными. На рис. 15 представлены результаты расчета среднеоборотного тепловозного дизеля Д49 (16ЧН 26/26) при его работе по тепловозной характеристике с максимальным ре=15,3 бар при «=1000 мин'1. Таблицы, соответствующие каждому из режимов, показывают расчетные интегральные параметры дизеля в сравнении с результатами экспериментов и относительную погрешность расчета. Экспериментальные данные и характеристики впрыскивания предоставлены ОАО Коломенский завод.

Bosch

Среднеоборотный тепловозный дизель Д49 (16 ЧН 26/26)

Расчет

Bosch

dx№

Экспер.

Расчет

dxiav

Расчет Эксперимент

Тепловыделение dxicif1 на разных режимах

гсэо

be. : кВтч'

Bosch

Расчет

ДШ%Скорость г;— впрыска

JL j i L

j-Jul

if Ж!-}.— j...

< 1

XI ____^____1...

350 375 400 град.

Рис. 15. Результаты расчета тепловозного дизеля Д49 (16ЧН 26/26)

Для проверки возможностей представленного расчетного метода в части расчета рабочего процесса дизеля с многоразовым впрыскиванием были проведены тестовые расчеты для двигателя Caterpillar 3401: S/D = 165/137 мм, распылитель: 6 х 0,259 х 125°, е = 16,5, на режиме: ре = 10 бар, и=1600 мин . На этом двигателе исследовались различные стратегии многоразового впрыскивания, различающиеся как по количеству порций: от 1 до 3, так и разными значениями угла опережения впрыскивания: от 12,5 град, до ВМТ до 6 град, после ВМТ. Эксперименты были проведены в университете Висконсин-Мэдисон (США). Параметры экспериментальной установки и результаты измерений опубликованы Bakenhus и Reitz. Расчетная модель была воссоздана на основании опубликованных материалов. Расчетные кривые скорости тепловыделения в сравнении с экспериментальными данными представлены на рис. 16 для всех семи стратегий впрыскивания.

d Шср

1/град. 0.D6 0.04 0.02 о

dx/d <р 1/град.

0,04

0.02

dxid(Z> 1/град. 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 О

-а- Экспер, ~ь~ Расчет

— : :

" ! :

F—' а / —Ч.

Вариант

350

-е- Экспер. ~f~ Расчет

/ Ч 'ч '

360 375 390 405 420 Угол кривошипа <р, град.

1/град. 0,06

0.04

0.02

Двойной I Тройной

350 360 370 380 390 Угол кривошипа ср, град.

- ...........—f~

Экспер, ■ Расчет

1 ь

- -|

W Г"

dx/d <р 1/град. 0.06

0.04

0.02

-о- Экспер. -■ Расчет ■

d 1 \i 1

380

375 390 405 420 Угол кривошипа q>, град.

: i>

-а- Экспер, -ь~ Расчет

-----

\ ift 1 ад

vw\

dx/d у 1/град.

375 390 405 420 435 Угол кривошипа q>, град.

360 375 390 405 420 435 Угол кривошипа <р, град.

Рис. 16. Результаты расчета тепловыделения в дизеле Caterpillar при

разных стратегиях впрыскивания с разным опережением

топливоподачи

Одним из направлений снижения эмиссии оксидов азота в дизелях является применение РСС1 процесса, когда одна или несколько пилотных порций подаются в цилиндр с большим опережением (до 140 градусов перед ВМТ). Несколько пилотных порций подаются для того, чтобы избежать попадания топлива на зеркало цилиндра. Задача оптимизации продолжительности подачи пилотных порций топлива может быть решена расчетным пу-

тем с помощью приведенной модели смесеобразования. Для иллюстрации возможности расчетной методики были проведены расчеты процесса смесеобразования и сгорания в дизеле Peugeot DW10-ATED4 (D/S = 85/88 мм) и номинальной частотой вращения п = 4000 мин1. На рис. 17 приведены результаты расчета смесеобразования и тепловыделения в указанном дизеле при тройном впрыскивании пилотных порций в сравнении с экспериментальными данными на режиме и=2600 мин"1, ре=8,54 бар, степень рециркуляции ОГ: 9.8%.

Рис. 17. Результаты расчета тепловыделения в дизеле Peugeot DW10-

ATED4 с процессом PCCI: общая доля пилотных порций: 35%, я=2600 мин"1

На изображениях развития струй, соответствующих моментам окончания впрыскивания, видно, что струи первой и второй пилотных порций не достигают стенки зеркала цилиндра, струя третьей пилотной порции достигает поверхности поршня. В результате, 6е=230 г/кВтч, ЫОх = 2,45 г/кВтч.

Сравнение расчетных и экспериментальных кривых скорости тепловыделения и эмиссии оксидов азота для всех примеров расчета показывает их хорошее согласование. Все результаты получены при идентичных значениях эмпирических коэффициентов. Последнее обстоятельство позволяет сделать вывод об универсальности представленной модели сгорания и возможности ее использования для проведения расчетных исследований процессов смесеобразования и сгорания, связанных с оптимизацией стратегии многоразового впрыскивания на разных режимах работы двигателя.

В пятой главе проведено расчетное исследование влияния формы камеры сгорания и угла в шатре распыливающих отверстий на параметры среднеоборотного дизеля Д50 (6ЧН 31,2/33).

Для полного и своевременного сгорания топлива необходимо обеспечить такое его распределение в камере сгорания, чтобы, с одной стороны, максимальное количество топлива было распределено в разреженной оболочке дизельной струи, где имеют место наилучшие условия для его испарения и быстрого сгорания, а, с другой - исключить или минимизировать попадание топлива в зоны с плохими условиями испарения, например, на стенку цилиндра или в зоны пересечения пристеночных потоков от соседних струй. Результаты расчетных исследований показывают, что решение этой задачи для среднеоборотных дизелей может лежать в русле двух разных концепций, в зависимости от уровня форсирования ДВС:

1. Для высокофорсированных дизелей предпочтительна мелкая КС, где струи попадают на стенку камеры в поршне под острым углом. При этом ПП развивается по поверхности поршня преимущественно в радиальном направлении и тормозится за счет высокой плотности заряда. Соседние струи не мешают друг другу, что позволяет увеличить количество сопловых отверстий и, за счет этого, сократить продолжительность топливоподачи, что вместе с уменьшением поверхности теплоотдачи обеспечивает рост КПД. Недостатком данной концепции является возможность попадания топлива на зеркало цилиндра, где оно не сгорает полностью и вызывает повышенный выброс углеводородов. (Данный эффект устраняется применением жарового кольца и сокращением продолжительности впрыскивания.)

2. Для малофорсированных дизелей предпочтительна глубокая КС, где струи попадают на стенку камеры в поршне под углом, близким к прямому. Попадание топлива на зеркало цилиндра предотвращается самой формой КС. При этом ПП развивается по поверхности поршня в равной интенсивности, как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях. При большой длительности впрыскивания соседние струи могут мешать друг другу, т.е. их ПП будут пересекаться, и в зоны пересечения попадет значительное количество топлива. Негативный эффект от пересечения пристеночных потоков становится заметным, если в зоны пересечения попадает более 10% топлива.

В шестой главе приведены результаты расчетной многопараметрической оптимизации параметров среднеоборотного тепловозного дизеля 12 ЧН 18/20. Одной из целей работы была оптимизация параметров топливоподачи с целью обеспечения эмиссии NOx < 6 г/кВт ч по циклу "F" ISO 8178 и обеспечению минимального расхода топлива в условиях ограничения максимального давления в цилиндре: pz < 90 бар и ограничения скорости нарастания давления величиной dp/d(j) <5 бар/град. Вначале была выполнена идентификация математической модели двигателя на всей тепловозной характеристике по экспериментальным данным завода Звезда. Далее для каждой из 8

1800 $ 1600 8 1400 | 1200 ^ 1000

к*

. . 5 88*

95 j

1600

Ж n0J

Рис. 18. Параметры дизеля М756 (12 ЧН 18/20), с электронной системой топливоподачи: а) параметры двухразового впрыскивания; б) скорость тепловыделения и характеристика впрыскивания £/о (100% ТУе); в) индикаторная диаграмма (100% Ые)\ г) тепловозная характеристика

позиций контроллера выполнялась оптимизация рабочего процесса одновременно по 4 параметрам: степени сжатия s, диаметру сопловых отверстий dm опережению <9, и давлению впрыскивания рт}. В качестве функции цели выступал комплекс суммарной эмиссии SE. В результате многомерной оптимизации для режима полной мощности было получено решение, характеризующееся высоким давлением топливоподачи р,„у =1580 бар и малой величиной опережения впрыска 6>, = 2 град, до ВМТ. Это позволяет снизить расход топлива на 10 г/кВтч и эмиссию NOx в 2,5 раза, однако при этом ограничение по жесткости сгорания нарушается: ф/а^)= 8,22 бар/град.

Дальнейшие оптимизационные исследования уже проводились для условий многоразового впрыскивания. В число независимых переменных были добавлены доля пилотной порции fi и задержка между пилотной и основной порциями 01. Оптимизация для полной мощности проводилась по 6 параметрам: е, d„, (9„ p,n],fi, &i\ для остальных позиций контроллера - по четырем (за вычетом е и d„). Полученные результаты показали, что применение двухразового впрыскивания позволяет добиться на всей характеристике одновременного снижения расхода топлива и эмиссии NOx, а также скорости нарастания давления. Так, на режиме полной мощности dp/dfy = 3,9 бар/град. Полученные в результате оптимизации параметры управления впрыскиванием и тепловозная характеристика представлены на рис. 18-а и 18-г; характеристики впрыскивания, тепловыделения и индикаторная диаграмма для режима полной мощности представлены на рис. 18-6 и 18-е.

Суммарная эмиссия оксидов азота с учетом весовых коэффициентов по режимам цикла "F" ISO 8178 составляет:

NOx = = 4>б1 фВтч

0,25 Nem% + 0,15 Ne,s%

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполненной работы получено решение крупной актуальной проблемы разработки эффективных методов расчета и оптимизации рабочих процессов современных и перспективных ДВС.

В качестве наиболее существенных результатов работы можно назвать следующие:

1. На основе модели Н.Ф. Разлейцева разработана математическая модель смесеобразования и сгорания в дизеле, позволяющая учесть:

- взаимодействие топливной струи и ее ПП с воздушным вихрем, имеющим разные профили;

- движение поршня, произвольный профиль камеры сгорания, боковое расположение распылителя, произвольную направленность каждого соплового отверстия;

- пересечение пристеночных потоков соседних струй, наличие которых затягивает процесс сгорания;

- влияние температуры стенок КС, влияние режимных и масштабных факторов на процесс испарения топлива.

Развитие модели сгорания позволило расширить область ее применения, сделать более универсальной и упростить процесс идентификации; все режимы работы дизеля могут рассчитываться с идентичными эмпирическими коэффициентами.

2. Уточненное уравнение A.C. Лышевского для расчета дальнобойности топливных струй позволило обеспечить его применимость, как для среднеоборотных дизелей, так и для современных высокооборотных двигателей.

3. Разработанная методика расчета периода задержки самовоспламенения в дизеле позволяет рассчитывать период задержки, как для обычных двигателей, так и для двигателей с высокой рециркуляцией ОГ, многоразовым впрыскиванием и большим опережением топливоподачи.

4. Разработанный алгоритм расчета параметров газа в открытой термодинамической системе на основе решения системы разностных уравнений сохранения массы, энергии и уравнения состояния позволяет сократить время расчета рабочего цикла ДВС в 5 раз при более высокой точнобпР.азработанный и апробированный алгоритм и программа расчета газообмена четырехтактных и двухтактных двигателей, базирующиеся на основе концепции среднестатистического цилиндра и учета нестационарности течения в клапанных каналах с учетом теплообмена в каналах и коллекторах, с учетом зависимости коэффициента расхода окон от перепада давления и направления течения, а также с применением комбинаций гипотез о полном перемешивании, послойном вытеснении и замыкании, позволяют рассчитывать газообмен в двухтактных и четырехтактных ДВС с высокой точностью и быстродействием.

6. Разработанная универсальная методика и программа совместного расчета поршневого ДВС и агрегатов наддува различных схем позволяет прогнозировать характеристики двигателей и подбирать агрегаты наддува к ним, используя характеристики турбин и компрессоров.

7. Усовершенствованная математическая модель образования сажи в цилиндре дизеля, учитывающая концентрацию кислорода в процессе сгорания и изменение диаметров капель топлива в процессе впрыскивания, позволяет увеличить точность расчетов эмиссии сажи.

8. Внедрение в разработанную программу расчета рабочего процесса ДВС двухзонной модели образования оксидов азота по детальному кинетическому механизму позволяет проводить расчетные исследования двигателей, как с традиционной, так и с современной организацией рабочего процесса, характеризующейся большой рециркуляцией ОГ и многоразовым впрыскиванием.

9. Разработанная методика и программа многопараметрической оптимизации с комплексом суммарной эмиссии для использования в качестве функции цели при оптимизации рабочих процессов дизелей позволяет радикально увеличить эффективность расчетных исследований, направленных на снижение выбросов оксидов азота и сажи.

10. На основании большого числа работ, выполненных для нужд промышленности, точность моделирования с помощью разработанных методик и программы подтверждена применительно к разным режимам работы двигателей разной размерности, быстроходности и конструкции, включая двухтактные с боковым расположением форсунок, двигатели с ПДП, двигатели с многоразовым впрыскиванием и процессом PCCI.

11. Проведенные расчетные исследования показали, что существенное влияние формы КС на рабочий процесс среднеоборотных дизелей имеет место только на режимах полной мощности, причем глубокие КС предпочтительны для нефорсированных дизелей, а мелкие - для высокофорсированных. В любом случае требуется оптимизация параметров топливоподачи и конструкции распылителя, а также согласование их с формой камеры в поршне.

12. Разработанные математические модели и программные средства позволяют расчетным путем оптимизировать законы управления топливной системой с электронным управлением, формируя на каждом режиме работы дизеля свою стратегию многоразового впрыскивания, включая определение давления топлива, соотношение масс топлива в пилотной и в основной порциях, устанавливать общее опережение впрыскивания и задержку между порциями. Разработка такого алгоритма управления для дизеля 12ЧН 18/20 показывает возможность снижения расхода топлива на всех режимах тепловозной характеристики до 15 г/кВт ч и снижения эмиссии оксидов азота в 2,5 раза.

Основные положения диссертации отражены в 52 публикациях, в том числе, в следующих:

1. Мизернюк Г.Н., Кулешов A.C. Методика расчета рабочего процесса КДВС на ЭВМ // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1986. - № 6. - С. 97101.

2. Мизернюк Г.Н., Кулешов A.C. Методика расчета совместной работы четырехтактного дизеля и двухступенчатого агрегата наддува // Двигателе-строение. - 1986. - № 7. - С. 9-11.

3. Kuleshov A.S. Model for predicting air-fuel mixing, combustion and emissions in DI diesel engines over whole operating range // SAE Tech. Pap. Ser. - 2005. - № 2005-01-2119. - P. 1-16.

4. Kuleshov A.S. Use of Multi-Zone DI Diesel Spray Combustion Model for Simulation and Optimization of Performance and Emissions of Engines with Multiple Injection // SAE Tech. Pap. Ser. - 2006. - № 2006-01-1385. - P. 1-17.

5. Kuleshov A.S. Multi-Zone DI Diesel Spray Combustion Model and its application for Matching the Injector Design with Piston Bowl Shape // SAE Tech. Pap. Ser.-2007.-№2007-01-1908.-P. 1-17.

6. Kuleshov A., Mahkamov K. Multi-zone diesel fuel spray combustion model for the simulation of a diesel engine running on biofuel // Proc. Mechanical Engineers, Journal of Power and Energy. - 2008. - Vol. 222, Part A. - P. 309-321.

7. Kuleshov A.S. Multi-Zone DI Diesel Spray Combustion Model for Thermodynamic Simulation of Engine with PCCI and High EGR Level // SAE Tech. Pap. Ser.-2009.-№2009-01-1956.-P. 1-21.

8. Kuleshov A.S., Kozlov A.V., Khamid Mahkamov. Self-Ignition delay Prediction in PCCI direct injection diesel engines using multi-zone spray combustion model and detailed chemistry // SAE Tech. Pap. Ser. - 2010. - № 2010-01-1960.-P. 1-18.

9. Кулешов A.C. Многозонная модель для расчета сгорания в дизеле.

1. Расчет распределения топлива в струе // Вестник МГТУ. Машиностроение. - 2007. - Спец. вып. Двигатели внутреннего сгорания. - С. 18-31.

10. Кулешов А.С. Многозонная модель для расчета сгорания в дизеле.

2. Расчет скорости тепловыделения при многоразовом впрыске // Вестник МГТУ. Машиностроение. - 2007. - Спец. вып. Двигатели внутреннего сгорания.-С. 32-45.

11. Кулешов А.С., Грехов Л.В. Расчетное формирование оптимальных законов управления дизелями на традиционных и альтернативных топливах // Безопасность в техносфере. - 2007. - № 5. - С. 30-32.

12. Козлов А.В., Кулешов А.С. Биодизельное топливо как возобновляемый источник энергии для транспорта // Безопасность в техносфере. -2007.-№5.-С. 9-14.

13. Кулешов А.С. Многозонная модель для расчёта сгорания в дизеле с многоразовым впрыском: расчёт распределения топлива в струе // Ползунов-ский вестник. - 2006. - №4,- С. 78-86.

14. Гришин Ю.А., Каримов А.Н., Кулешов А.С. Доводка элементов газовоздушного тракта двигателей с помощью математической модели пространственного течения газа // Вестник МГТУ. Машиностроение. - 1991. -№4.-С. 39-43.

15. Гришин Ю.А., Зенкин В.А., Кулешов А.С. Расчетное исследование характеристик впускных окон двухтактных двигателей // Вестник МГТУ. Машиностроение. - 2007. - № 4. - С. 72-82.

16. Марков В.А., Кулешов А.С., Зенин А.А. Расчетные исследования показателей транспортного дизеля с несимметричным расположением форсунок И Грузовик. - 2009. - №9 - С. 12-21.

Подписано к печати 10.11.11. Заказ № 775 Объем 2,0 печл. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Кулешов, Андрей Сергеевич

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ИНДЕКСОВ,

СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС.

1Л. Анализ актуальных задач стоящих перед двигателестроением и программного обеспечения, необходимого для их решения.

1Л Л. Термодинамические модели ДВС

1 Л.2. Модели на основе решения задач пространственной гидродинамики.

1.2. Требования к математическим моделям рабочих процессов ДВС применяемым для проведения компьютерной оптимизации двигателей на этапе их разработки и доводки.

1.3. Задачи исследования

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС

2.1. Математическая модель открытой термодинамической системы.

2.2. Математическая модель газообмена четырехтактных и двухтактных ДВС.

2.2.1. Особенности расчета газообмена двухтактных ДВС

2.3. Математическая модель теплообмена в цилиндре

2.4. Математическая модель образования сажи.

2.5. Методы расчета эмиссии оксидов азота

2.5.1. Общие принципы расчета выброса оксидов азота

2.5.2. Расчет образования термических оксидов азота.

2.5.3. Расчет образования оксидов азота по детальному кинетическому механизму.

2.6. Последовательность расчета рабочего процесса поршневого ДВС

2.7. Последовательность расчета рабочего процесса ДВС с согласованием характеристик турбин и компрессоров с поршневой частью

2.8. Методика многопараметрической оптимизации ДВС.

2.8.1. Выбор целевой функции при минимизации выбросов вредных веществ.

2.9. Выводы по главе

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЕ.

3.1. Сравнительный анализ существующих феноменологических моделей сгорания в дизеле.

3.2. Расчет конфигурации свободной струи. Модифицированная модель Лышевского для расчета дальнобойности топливной струи.

3.3. Расчет развития струи и ее пристеночных потоков в условиях тангенциального вихря.

3.4. Распределение топлива в дизельной струе по характерным зонам

3.5. Расчет скорости испарения в характерных зонах.

3.6. Расчет периода задержки самовоспламенения.

3.7. Расчет скорости выгорания.

3.8. Программа ДИЗЕЛЬ-РК.

3.9. Выводы по главе.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В ДИЗЕЛЯХ РАЗНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

4.1. Результаты расчета тепловыделения в дизелях во всем диапазоне работы.

4.2. Результаты расчета тепловыделения в дизелях с многоразовым впрыскиванием и PCCI процессом.

-4стр.

4.3. Результаты расчета тепловыделения в дизелях с боковым расположением форсунок.

4.4. Выводы по главе.

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ФОРМЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И УГЛА В ШАТРЕ РАСПЫЛИВАЮЩИХ ОТВЕРСТИЙ ДЛЯ

СРЕДНЕОБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ

5.1. Выводы по главе

6. МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СРЕДНЕОБОРОТНОГО ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА И РАСХОДА

ТОПЛИВА.

6.1. Вывод по главе

Введение 2012 год, диссертация по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, Кулешов, Андрей Сергеевич

В настоящее время разработка новых и совершенствование выпускающихся двигателей внутреннего сгорания не представляется без проведения расчетных исследований на ЭВМ. Особую актуальность математическое моделирование и компьютерная оптимизация ДВС приобретают в условиях ужесточения нормативов на вредные выбросы с отработавшими газами, требованиями высокой удельной мощности и экономичности, когда объем и стоимость экспериментальных работ радикальным образом возрастают. Ведущими научными центрами проводятся широкомасштабные исследовательские работы по поиску путей оптимальной организации рабочих процессов двигателей, включая алгоритмы управления топливной аппаратурой дизелей которые обеспечили бы требуемые уровни вредных выбросов. Наибольшую сложность представляет собой одновременное снижение выбросов твердых частиц и оксидов азота, ибо большинство используемых мероприятий положительно влияют на снижение уровня одних компонентов и одновременно отрицательно влияют на другие.

Ввиду дефицита необходимого программного обеспечения, позволяющего решать указанные задачи, основная часть исследований в настоящее время проводится экспериментально. Существующие расчетные методы и реализующие их программы для моделирования процессов в ДВС можно разделить на термодинамические и численные методы механики жидкости и газа или CFD (Computational Fluid Dynamic), однако и те и другие не позволяют на сегодняшний день в полной мере решать задачи оптимизации рабочих процессов ДВС из-за отсутствия в своем» составе достаточно надежных методов расчета смесеобразования и сгорания в дизелях и недостаточного быстродействия. Последнее особенно относится к CFD-программам, требующим огромных вычислительных ресурсов. Для решения практических задач необходимы быстродействующие компьютерные программы, позволяющие надежно моделировать происходящие в двигателях сложные процессы, влияющие на эмиссию вредных веществ и позволяющие проводить значительную часть исследовательских работ по оптимизации рабочих процессов ДВС на ЭВМ. Создание адекватных математических моделей сдерживается сложностью процессов, протекающих в поршневых двигателях, и прежде всего, в камерах сгорания дизелей.

Цель диссертационной работы состоит в развитии научных основ расчета поршневых двигателей, разработке на их основе универсальных математических моделей и прикладных программ для термодинамического расчета двухтактных и четырехтактных ДВС с уточненным рассмотрением процессов смесеобразования, сгорания и образования вредных веществ.

Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:

6. Применить разработанный комплекс программ для решения актуальных задач совершенствования дизелей.

Методическую основу исследования составили: математическое моделирование теплофизических и термодинамических процессов, а также расчетные исследования поршневых двигателей.

Достоверность и обоснованность научных положений работы обусловливаются: использованием общих уравнений гидродинамики, теплофизики и термодинамики; совпадением расчетных результатов с экспериментальными данными; согласованием полученных частных результатов с известными.

Научная новизна работы заключается в выявлении особенностей протекающих в ДВС процессов, создании методов их описания и оптимизации, а также в результатах.

Практическая значимость работы состоит в разработке математических моделей сгорания в дизеле; в разработке программы визуализации развития топливных струй в КС дизеля, в разработке программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК, и внедрении этого программного комплекса в Интернет, в учебный процесс и в промышленность; в проведении расчетных исследований рабочих процессов выпускающихся и перспективных дизелей в интересах промышленности.

На защиту выносятся: математические модели расчета параметров в открытой термодинамической системе, совместного расчета двухступенчатого агрегата наддува и поршневого двигателя, расчета дальнобойности топливной струи, расчета периода задержки самовоспламенения; методика оптимизации рабочих процессов ДВС, результаты расчетного исследования внутрицилинд-ровых процессов среднеоборотных дизелей.

Реализация результатов работы имела место на МПО "Мотор" (г. Уфа); ОАО "Коломенский завод" (г. Коломна); ОАО "Горьковский Автозавод" (г. Н.

Новгород); ОАО "КамАЗ" (г. Набережные Челны); ОАО "ЗИЛ" (г. Москва); ОАО "Заволжский моторный завод" (г. Заволжье); ОАО "Владимирский завод" (г. Владимир); ОАО "Алтайский завод прецизионных изделий" (г. Барнаул); ОАО "РУМО" (г. Н.Новгород); Istituto Motori-CNR (г. Неаполь, Италия); Aumet OY (г. Хельсинки, Финляндия); FT Engineering АВ (г. Вастерлянда, Швеция); ОАО "Пензадизельмаш" (г.Пенза); АО "Люлька-Сатурн" (г.Москва); PTL Powertrain Technology Ltd (г. Шорам-Бай-Си, Великобритания); Loremo AG (г. Мюнхен, Германия); Roos Diesel Analysis (г. Виспел, Нидерланды); WDL Ltd (г. Брайтон, Великобритания); Tandofer Inf. Kit (г. Кескемет, Венгрия), Heinzmann (Шенау, Германия), ОАО "Звезда" (г. С-Петербург); Centre for Energy Research Newcastle University (Ньюкасл, Великобритания). В МГТУ им.Н.Э.Баумана с 1999 г. программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК используется в учебном процессе.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях МГТУ и МАДИ; на юбилейной научно-технической конференции "165 лет МГТУ им. Н.Э.Баумана" (Москва, 1995); международном научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" (Владимир, ВГУ, 1997); научно-технической конференции "Двигатели внутреннего сгорания XXI века" (С-Петербург, 2000); международной научно-технической конференции "Автомобильный транспорт в XXI веке" (Н.Новгород, 2003); международном симпозиуме "Образование через науку" (Москва, МГТУ, 2006); международных научно-технических конференциях: "Двигатель-97" (Москва, МГТУ, 1997), "Дви-гатель-2007" (Москва, МГТУ, 2007), "Двигатель-2010" (Москва, МГТУ, 2010).

Публикации: По теме диссертации опубликованы 53 печатных работы в научных журналах и сборниках, в том числе 9 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Работа выполнена на кафедре Поршневые двигатели МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Заключение диссертация на тему "Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволили сформулировать и обосновать научные положения, совокупность которых может быть классифицирована как решение крупной актуальной проблемы разработки эффективных методов расчета и оптимизации рабочих процессов современных и перспективных ДВС.

В качестве наиболее существенных результатов работы можно назвать следующие:

- взаимодействие топливной струи и ее 1111 с воздушным вихрем, имеющим разные профили;

- пересечение пристеночных потоков соседних струй, наличие которых затягивает процесс сгорания;

- влияние температуры стенок КС, влияние режимных и масштабных факторов на процесс испарения топлива.

5. Разработанный и апробированный алгоритм и программа расчета газообмена четырехтактных и двухтактных двигателей, базирующиеся на основе концепции среднестатистического цилиндра и учета нестационарности течения в клапанных каналах с учетом теплообмена в каналах и коллекторах, с учетом зависимости коэффициента расхода окон от перепада давления и направления течения, а также с применением комбинаций гипотез о полном перемешивании, послойном вытеснении и замыкании, позволяют рассчитывать газообмен в двухтактных и четырехтактных ДВС с высокой точностью и быстродействием.

-21210. На основании большого числа работ, выполненных для нужд промышленности, точность моделирования с помощью разработанных методик и программы подтверждена применительно к разным режимам работы двигателей разной размерности, быстроходности и конструкции, включая двухтактные с боковым расположением форсунок, двигатели с ПДП, двигатели с многоразовым впрыскиванием и процессом РСС1.

12. Разработанные математические модели и программные средства позволяют расчетным путем оптимизировать законы управления топливной системой с электронным управлением, формируя на каждом режиме работы дизеля свою стратегию многоразового впрыскивания, включая определение давления топлива, соотношение масс топлива в пилотной и в основной порциях, устанавливать общее опережение впрыскивания и задержку между порциями. Разработка такого алгоритма управления для дизеля 12ЧН 18/20 показывает возможность снижения расхода топлива на всех режимах тепло-возной характеристики до 15 г/кВт ч и снижения эмиссии оксидов азота в 2,5 раза.

-213 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Характер результатов выполненных исследований позволяет сделать заключение о том, что на основе разработанных новых и совершенствования известных методов расчета рабочих процессов в ДВС получено решение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - создание новых видов поршневых двигателей с перспективными экономическими и экологическими показателями.

Практическая полезность работы состоит в разработке программы ДИ-ЗЕЛЬ-РК, в которой реализованы представленные методы расчета. Программа имеет развитый пользовательский интерфейс, программу визуализации развития струй в камере сгорания дизеля, программу автоматизированной идентификации математической модели. Система контекстной помощи к программе включает справочную информацию и помогает описать исходные данные и результаты. Программа позволяет решать оптимизационные задачи методами математического программирования и представляет собой инструмент для решения широкого круга практических задач прошедший многолетнюю апробацию в промышленности, в учебном процессе в МГТУ им. Н.Э.Баумана и других университетах. Пользоваться программой может широкий круг пользователей по всему миру, т.к. она функционирует в Интернет.

Библиография Кулешов, Андрей Сергеевич, диссертация по теме Тепловые двигатели

1. Woschni G. Die Berechnung der Wandeverluste und der thermichen Belasttung der Bauteile von Dieselmotoren // MTZ. -1970. N12. - S. 491-499.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д.Н.Вырубов и др.; Под ред. A.C. Орлина, М.Г. Круг-лова. М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.

3. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. М.: Машгиз, 1962. -272 с.

4. Hiroyuki Hiroyasu, Toshikazu Kadota and Masataka Arai. Development and Use of a Spray Combustion Modeling to Predict Diesel Engine Efficiency and Pollutant Emissions // Bull. JSME. 1983. - V. 26, N 214, Paper 214-12. - P. 576583.

5. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков: Вища школа, 1980. -169 с.

6. Процессы в перспективных дизелях / А.Ф. Шеховцов и др.; Под ред. А.Ф. Шеховцова. Харьков: Изд-во «Основа» при Харьк. Ун-те, 1992. -352 с.

7. Симеон А.Э., Каминский А.И., Моргулис П.С. Турбонаддув высокооборотных дизелей. JL: Машиностроение, 1976. - 288 с.

8. Кулешов A.C. Расчетно-экспериментальный выбор параметров рабочего процесса 4-х тактного среднеоборотного комбинированного ДВС: Дисс. .канд. техн. наук. -М.: МВТУ, 1986. 124 с.

9. AMEsim LMS Imagine.Lab Internal Combustion Engine: Электронный ресурс. URL: http://www.lmsintl.com (дата обращения 26.08.2011).

10. DIESEL-RK is an engine simulation tool: Электронный ресурс. URL: http://www.diesel-rk.bmstu.ru (дата обращения 12.08.2011).

11. Lotus Engineering Software: Электронный ресурс. URL: http://www.lesoft.co.uk (дата обращения 12.09.2008).

12. AVL BOOST: Электронный ресурс. URL: http://www.avl.com (дата обращения 12.09.2008).

13. Ricardo Software: Электронный ресурс. URL: http://www.software.ricardo.com (дата обращения 12.09.2008).

14. Gamma Technologies Inc.: Электронный ресурс. URL: http://www.gtisoft.com (дата обращения 12.09.2008).

15. Babajide Kolade, Thomas Morel, Song-Charng Kong. Coupled 1-D/3-D Analysis of Fuel Injection and Diesel Engine Combustion // SAE Tech. Pap. Ser. -2004. N 2004-01-0928. - P. 1-10.

16. Stephenson Philip W., Rutland Christopher J. Modeling the effects of intake flow characteristics on diesel engine combustion // SAE Tech. Pap. Ser. -1995,-N950282.-P. 57-67.

17. Белоцерковский O.M., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. - 392 с.

18. Гришин Ю.А., Каримов А.Н., Кулешов А.С. Доводка элементов газовоздушного тракта двигателей с помощью математической модели пространственного течения газа // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1991. - № 4.-С. 39-43.

19. Гришин Ю.А., Зенкин В.А., Кулешов А.С. Расчетное исследование характеристик впускных окон двухтактных двигателей // Вестник МГТУ. Машиностроение. 2007. - № 4. - С. 72-82.

20. Гришин Ю.А. Новые схемы метода крупных частиц и их использование для оптимизации газовоздушных трактов двигателей // Математическое моделирование. 2002. - Т. 14, №8. - С. 51-55.

21. Bella G., Rocco V., Ubertini S. Combustion and Spray Simulation of a DI Turbocharged Diesel Engine // SAE Tech. Pap. Ser. 2002. - N 2002-01-2776. -P. 1-17.

22. Лобов H.B. Улучшение характеристик двухтактных двигателей внутреннего сгорания оптимизацией газовоздушного тракта: Дисс. . докт. техн. наук. Пермь, 2004. - 277 с.

23. Fyhr С., Dahlberg О. Complete Engine Modeling Using CFD // SAE Tech. Pap. Ser. 2004. - N 2004-01-0109. - P. 1-7.

24. Magnussen B.F. Eddy Dissipation Concept // XI Task Leaders Meeting -Energy Conservation in Combustion, IEA. 1989. - P. 248-268.

25. Reitz R. D. Modeling Atomization Processes in High pressure Vaporizing Sprays // Atomization and Spray Technology. 1987. - N 3. - P. 309-337.

26. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. - 686 с.

27. Gustavsson J., Golovitchev V.I. Spray Combustion Simulation Based on Detailed Chemistry Approach for Diesel Fuel Surrogate Model // SAE Tech. Pap. Ser. 2003. - N 2003-01-1848. - P. 1-16.

28. Мизернюк Т.Н., Кулешов A.C. Методика расчета рабочего процесса КДВС на ЭВМ // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1986. - № 6. - С. 97101.

29. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. - 720 с.

30. Масленников М.М., Рапипорт М.С. Авиационные поршневые двигатели. М.: Гос. изд-во Оборон, пром., 1951. - 848 с.

31. Симеон А.Э. Исследование импульсных систем газотурбинного наддува // Двигатели внутреннего сгорания (Харьков). 1972. - Вып. 15. - С. 94-98.

32. Мундштуков Д.А. О границе применимости квазистационарных методов расчета параметров газа в системах выпуска // Двигатели внутреннего сгорания (Харьков). 1972. - Вып. 15. - С. 49-58.

33. Wallace W. High-Output Medium-Speed Diesel Engine Air and Exhaust System Flow Losses // Proceedings of the Institution for Mechanical Engineers. -1967-68.-Vol. 182.-P. 134-144.

34. Benson R.S. Experiments on a Piston Controlled Port // The Engineer. -I960,-Vol. 210.-P. 875-880.

35. Chapman Kirby. Two-Stroke Cycle Engine Port Flow Analysis // CIMAC Congress. Kyoto, 2004. - Paper N 1. - P. 1-16.

36. Орлин A.C., Круглов М.Г. Комбинированные двухтактные двигатели. М.: Машиностроение, 1968. - 576 с.

37. Володин А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания. М.: Транспорт, 1978. - 320 с.

38. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов

39. А.Э. Симеон и др. М.: Транспорт, 1987. - 536 с.

40. Дизели: Справочник. Изд. 3-е, перераб. и доп. / Под общей редакцией В.А.Ваншейдта, Н.Н. Иванченко, Л.К. Коллерова. Л.: Машиностроение, 1977. - 480 с.

41. Фомин Ю.А., Никонов Г.В., Ивановский В.Г. Топливная аппаратура дизелей: Справочник. М.: Машиностроение, 1982. - 168 с.

42. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. М.: Машиностроение, 1977.-216 с.

43. Петриченко P.M. Полуэмпирический метод расчета лучистого потока в ДВС // Двигателестроение. 1979. - №3. - С. 24-25.

44. Павличенко A.M., Жуков В.П. Теплообмен в среднеоборотных дизелях типа 6ЧН 25/34, ЧН 26/34, 6ЧН 36/45, ЧН 62/64 // Труды НКИ (Николаев). 1976.-Вып. 118.-С. 95-101.

45. Павличенко A.M., Жуков В.П. Расчетный анализ теплопередающей функции на параметры рабочего цикла ДВС // Труды НКИ (Николаев). -1975.-Вып. 100.-С. 103-107.

46. Теория двигателей внутреннего сгорания / Под ред. Н.Х. Дьяченко. -Л.: Машиностроение, 1974. 552 с.

47. Поспелов Д.Р. Двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением. М: Машиностроение, 1961. - 556 с.

48. Dauaud A.M. Eyzat P. Four-Oktane-Number Method for Predicting the Anti-Knock Behavior of Fuels and Engines // SAE Transactions. 1978. - Vol. 87, Sec. 1, Pap. 780080. - P. 294-308.

49. Muntean G.G. A theoretical model for the correlation of smoke number to dry particulate concentration in diesel exhaust // SAE Tech. Pap. Ser. 1999. - N 1999-01-0515.-P. 1-9.

50. Alkidas A.C. Relationship between smoke measurements and particulate measurements // SAE Techn. Pap. Ser. 1984. - N 840412. - P. 1-9.

51. Звонов B.A. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. M.: Машиностроение, 1973. - 200 с.

52. Звонов В.А. Процессы образования токсичных веществ и разработка способов уменьшения их выбросов двигателями внутреннего сгорания: Ав-тореф. дис. . д-ра. техн. наук. Харьков, 1987. - 44 с.

53. Miller J.A., Bowman С.Т. Mechanism and modeling of nitride. Chemistry in Combustion // Prog. Energy Combustion Science. 1989. - Vol. 15. - P. 287338.

54. Звонов В.А., Корнилов Г.С., Заиграев JI.C. Методика расчета рабочего процесса и образования оксидов азота в цилиндре дизеля с неразделенной камерой сгорания // Проблемы конструкции двигателей и экология: Сб. на-учн. тр. НАМИ. M., 1999. - С. 205-221.

55. Зельдович Б.Я., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.: Наука, 1947. - 146 с.

56. Звонов В.А., Гиринович М.П. Анализ механизмов образования оксидов азота при сгорании углеводородных топлив в камере сгорания ДВС (часть 1) // Приводная техника. 2004. - № 4. - С. 35-42.

57. Звонов В.А., Гиринович М.П. Анализ механизмов образования оксидов азота при сгорании углеводородных топлив в камере сгорания ДВС (часть 2) // Приводная техника. 2004. - № 5. - С. 27-34.

58. Образование оксида азота (NO) при распространении ламинарного пламени по гомогенной метановоздушной смеси / М.В. Бочков и др. // Физика горения и взрыва. 1998. - Т. 34, № 1. - С. 9-19.

59. Бочков М.В., Захаров А.Ю., Хвисевич С.Н. Образование NOx при горении метановоздушных смесей в условиях совместного протекания процессов химической кинетики и молекулярной диффузии // Математическое моделирование. 1997. - Т.9, №3. - С. 13-28.

60. Мизернюк Г.Н., Кулешов А.С. Методика расчета совместной работы четырехтактного дизеля и двухступенчатого агрегата наддува // Двигате-лестроение. 1986. - № 7. - С. 9-11.

61. Пелепейченко В.И. Исследование влияния типа систем наддува на эффективные показатели восьмицилиндрового V-образного транспортного дизеля: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Харьков, 1981. - 20 с.

62. Таланов JI.B. Высотные двигатели. Л.: Госмашметиздат, 1934.270 с.

63. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975. - 535 с.

64. Численные методы условной оптимизации / М.Дж.Д. Пауэлл и др. М.: Мир, 1977.-290 с.

65. Полак Э. Численные методы оптимизации. М.: Мир, 1974. - 65 с.

66. Hooke R., Jeeves Т.A. Direct Search Solution of Numerical and Statistical Problems // S. Assoc. Computer. Mach. 1962. - N 8. - P. 212-229.

67. Nelder J.A., Mead R. A simplex method for function minimization // The Computer Journal. 1965. - Vol. 7. - P. 308-313.

68. Rosenbrock H.H. An automatic method for finding the greatest or least value of a function // The Computer Journal. 1960. - Vol. 3. - P. 175-184.

69. Powell M.J.D. An efficient method for finding the minimum of a function of several variables without calculating derivatives // The Computer Journal. -1964.-Vol. 7.-P. 155-162.

70. Powell M.J.D. A method of minimizing a sum of squares of non-linear functions without calculating derivatives // The Computer Journal. -1965. Vol. 7. -P. 303-400.

71. Pearson J.D. Variable Metric Methods of Minimization // Brit. Computer Journal. 1969,-Vol.12.-P. 171-178.

72. Fletcher R., Powell M.J.D. A Rapidly Convergent Descent Method for

73. Minimization // The Computer Journal. 1963. -Vol. 6. - P. 163-168.

74. Fletcher R., Reeves C.M. Function minimization by conjugate gradients // The Computer Journal. -1964. -Vol. 7. P. 149-154.

75. Montgomery David T., Reitz Rolf D. Optimization of Heavy-Duty Diesel Engine Operating Parameters Using a Response Surface Method // SAE Tech. Pap. Ser. 2000. - N 2000-01-1962. - P. 1-21.

76. Application of Neural Networks for Prediction and Optimization of Exhaust Emissions in a H.D. Diesel Engine / Leonor Hernandez et al. // SAE Tech. Pap. Ser.-2002.-N2002-01-1144.-P. 1-17.

77. Watson N., Pilley A.D., Marzouk M. A Combustion Correlation for Diesel Engine Simulation // SAE Tech. Pap. Ser. 1980. -N 800029. - P. 1-19.

78. Austen A.E.W., Lyn W.T. Relation between Fuel Injection and Heat Release in a Direct Injection Engine and the Nature of the Combustion Process //Proc. Inst. Mech. Ehg. 1960-1961. -N 1. - P. 47-62.

79. Woschni G., Anisits F. Experimental Investigation and Mathematical presentation of Rate of Heat Release in Diesel Engines Dependent upon Engine Operating Conditions // SAE Tech. Pap. Ser. 1974. - N 740086. - P. 1-18.

80. Shipinski J., Myers P.S., Uyehara O. A Spray-Droplet Model for Diesel Combustion // Proc. Inst. Mech. Engrs. 1969-1970. - V. 184, Part 3J. - P. 28-35.

81. Whitehouse N.D., Way R.J.B. A Simple Method for Calculation of Heat Release in Diesel Engines Based on Fuel Injection Rate // SAE Tech. Pap. Ser. -1971. -N 710134. P. 1-19.

82. Chui W.S., Shahed S.M., Lyn W.T. A Transient Spray Mixing Model for Diesel Combustion// SAE Tech. Pap. Ser. 1976. -N 760128. - P. 1-18.

83. Shahed S. M., Chiu W. S., Lyn, W. T. A Mathematical Model of Diesel Combustion // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 1975. -C94/75.-P. 119-128.

84. A multi-Zone Model for Diesel Spray Combustion / Xiaoping Bi et al. //SAE Tech. Pap. Ser. 1999.-N 1999-01-0916. - P. 1-10.

85. Bi X., Han S. A Multi-Zone Model for Prediction of DI Diesel Engine

86. Combustion and Soot Emission // SAE Tech. Pap. Ser. 1994. - N 941900. - P. 112.

87. Hardenberg H.O., Hase F.W. Empirical Formula for Computing the Pressure Rise Delay of a Fuel from its Cetane Number and from the Relevant Parameters of Direct-Injection Diesel Engines II SAE Tech. Pap. Ser. 1979. - N 790493. -P. 1-10.

88. Dohoy Jung, Dennis N. Assanis. Multi-zone DI Diesel Spray Combustion Model for Cycle Simulation Studies of Engine Performance and Emissions // SAE Tech. Pap. Ser.-2001.-N2001-01-1246.-P. 1-23.

89. Experiments and Modeling on Spray Distributions in the Combustion Chamber of a Direct Injection Diesel Engine / Takuo Yoshizaki et al. // SAE Tech. Pap. Ser. 1996.-N961820.-P. 1-15.

90. Three-Dimensional Spray Distributions in a Direct Injection Diesel Engine / Takuo Yoshizaki et al. // SAE Tech. Pap. Ser. 1994. - N 941693. - P. 4556.

91. Rakopoulos C.D., Hountalas D.T. Development and validation of a 3-D Multi-Zone Combustion Model for the Prediction of DI Diesel Engines Performance and Pollutants Emissions // SAE Tech. Pap. Ser. 1998. - N 981021. - P. 117.

92. Hiroyasu H., Arai M. Fuel Spray Penetration and Spray Angle of Diesel Engines // Trans, of JSAE. 180. - Vol. 21. - P. 5-11.

93. Reitz R.D., Bracco F.B. On the Dependence of Spray Angle and Other Spray Parameters on Nozzle Design and Operating Conditions // SAE Tech. Pap. Ser. 1979.-N790494.-P. 1-18.

94. Hiroyasu H., Arai M., Tabata M. Empirical Equations for the Sauter Mean Diameter of a Diesel Spray // SAE Tech. Pap. Ser. 1989. - N 890464. - P. 1-21.

95. Borman G.L., Johnson J.H. Unsteady Vaporization Histories and Trajectories of Fuel Drops injected into Swirling Air // SAE Tech. Pap. Ser. 1962. - N 598C.-P. 1-21.

96. Williams T.J. Parameters for correlation of penetration results for dieselfuel sprays // Proc. Inst. Mech. Engrs. 1973. - N 187. - P. 771-774.

97. Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. New York.: McGraw-Hill, 1988. - 660 p.

98. Толстов А.И. Индикаторный период запаздывания воспламенения и динамика цикла быстроходного двигателя с воспламенением от сжатия // Исследование рабочего процесса и подачи топлива в быстроходных дизелях: Труды НИЛД. М., 1955. - С. 5-55.

99. Kouremenos D.A., Rakopoulos C.D., Hountalas D.T. Multi-zone combustion modeling for the prediction of pollutants emissions and performance of DI diesel engines//SAE Tech. Pap. Ser. 1977.-N970635.-P. 1-19.

100. Kuleshov A.S. Model for predicting air-fuel mixing, combustion and emissions in DI diesel engines over whole operating range // SAE Tech. Pap. Ser. -2005.-N2005-01-2119.-P. 1-16.

101. Kuleshov A.S. Use of Multi-Zone DI Diesel Spray Combustion Model for Simulation and Optimization of Performance and Emissions of Engines with Multiple Injection // SAE Tech. Pap. Ser. 2006. - N 2006-01-1385. - P. 1-17.

102. Kuleshov A.S. Multi-Zone DI Diesel Spray Combustion Model and its application for Matching the Injector Design with Piston Bowl Shape // SAE Tech. Pap. Ser.-2007.-N2007-01-1908.-P. 1-17.

103. Кулешов A.C. Многозонная модель для расчета сгорания в дизеле.

104. Расчет распределения топлива в струе // Вестник МГТУ. Машиностроение. 2007. - Специальный выпуск Двигатели внутреннего сгорания. - С. 18-31.

105. Кулешов А.С. Многозонная модель для расчета сгорания в дизеле.

106. Расчет скорости тепловыделения при многоразовом впрыске // Вестник МГТУ. Машиностроение. 2007. - Специальный выпуск Двигатели внутреннего сгорания. - С. 32-45.

107. Kuleshov A.S. Multi-Zone DI Diesel Spray Combustion Model for Thermodynamic Simulation of Engine with PCCI and High EGR Level // SAE Tech. Pap. Ser.-2009.-N2009-01-1956.-P. 1-21.

108. Kuleshov A., Mahkamov K. Multi-zone diesel fuel spray combustionmodel for the simulation of a diesel engine running on biofuel // Proc. Mechanical Engineers. Journal of Power and Energy. 2008. -Vol. 222, Part A. - P. 309-321.

109. Кукушкин В.Л., Романов С.А., Свиридов Ю.Б. Измерительный го-лографический комплекс и методика исследования дизельного факела // Дви-гателестроение. 1983. - № 9. - С. 24-26.

110. Кукушкин В.Л., Романов С.А., Свиридов Ю.Б. Экспериментальное исследование с помощью голографии структуры нестационарной струи распыленного дизельного топлива// Двигателестроение- 1989-№ 2 С. 3-7.

111. Рентгеноимпульсный метод изучения внутренней структуры топливного факела / В.К. Баев и др. // Прикл. математика и теорет. физика. -1980.-№ 1.-С. 106-111.

112. Топливные системы и экономичность дизелей / И.В. Астахов и др.-М., 1990.-288 с.

113. Kamimoto Т., Kobayashi Н., Matsuoka S^ A Big Size Rapid Compression Machine for Fundamental Studies of Diesel Combustion // SAE Tech. Pap. Ser.- 1981.-N811004.-P. 1-9.

114. Bracco F.V. Modeling of Engine Sprays // SAE Tech. Pap. Ser. 1985. -N 850394.-P. 1-19.

115. Kuo Т., Bracco F.V. Computations of Drop Sizes in Pulsating Sprays and of Liquid-Core Length in Vaporizing Sprays // SAE Tech. Pap. Ser. 1982. -N820133.-P. 1-19.

116. Калужин С.А., Романов С.А., Свиридов Ю.Б. Экспериментальное исследование скоростей движения жидкой и газообразной фаз в дизельном топливном факеле // Двигателестроение. 1980. - № 7. - С. 5-8.

117. Lyn W.T. Study of Burning Rate and Nature of Combustion in Diesel Engines // Proceedings of Ninth International Symposium on Combustion. Pittsburgh, 1962.-P. 1069-1082.

118. Hiroyasu H. Diesel Engine Combustion and Its Modeling // International Symposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Reciprocating Engines, (COMODIA-85). Tokyo, 1985. P. 53-75.

119. Лышевский А.С. Распыливание топлива в судовых дизелях. JL: Судостроение, 1971. - 248 с.

120. Kuo T.W., Bracco F.V. On the Scaling of Transient Laminar, Turbulent and Spray Jets // SAE Tech. Pap. Ser. 1982. - N 820038. - P. 1-19.

121. Hiroyasu H., Kadota Т., Arai M. Supplementary Comments: Fuel Spray Characterization in Diesel Engines // Combustion Modeling in Reciprocating En- gines / Ed. By Mattavi J.N. and Amann C.A. N.Y.: Plenum Press, 1980. - P. 369408.

122. Девянин C.H. Улучшение эксплуатационно-технических показателей быстроходного дизеля совершенствованием процесса впрыскивания и распыливания топлива: Автореф. дис. . .докт. техн. наук. М., 2005. - 33 с.

123. Jose V. Pastor, Emilio Encabo, Satiago Ruiz. New Modeling Approach For Fast Online Calculations In Sprays // SAE Tech. Pap. Ser. 2000. - N 2000-01-0287.-P. 1-9.

124. Simulation of Non-Evaporating Diesel Sprays and Verification with Experimental Data / M. Larmi et al. // SAE Tech. Pap. Ser. 2002. - N 2002-01-0946.-P. 1-11.

125. Dan T. Turbulent structure and its formation mechanism of a diesel fuel spray: Ph.D. Thesis. Kyoto: Doshisha University, 1996. - 124 p.

126. Хачиян A.C., Гальговский B.P., Никитин C.E. Доводка рабочего процесса автомобильных дизелей. М.: Машиностроение, 1976. - 104 с.

127. Fuel Spray Motion in Side Injection Combustion System for Diesel Engines / H. Nakagawa et al. // International Symposium COMODIA 90. Kyoto, 1990.-P. 281-286.

128. Свиридов Ю.Б., Малявский JI.В., Вихерт М.М. Топливо и топливо-подача автотракторных дизелей. Л., 1972. - 224 с.

129. Драгунов Г.Д., Егоров B.B. Некоторые особенности движения топлива по поверхности камеры сгорания // Изв. Вузов. Машиностроение. -1977.-№ 1.-С. 119-122.

130. Егоров В.В. Исследование особенностей испарения топлива и рабочего цикла при форсировании тракторного дизеля с камерой сгорания ЦНИ-ДИ: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л., 1978. - 22 с.

131. Иванченко H.H., Семенов Б.Н., Соколов B.C. Рабочий процесс дизелей с камерой в поршне. Л.: Машиностроение, 1972. - 228 с.

132. Семенов Б.Н. Теоретические и экспериментальные основы применения в быстроходных дизелях топлива с различными физическими и химическими свойствами: Автореф. дис. . докт. техн. наук. Л., 1978. - 44 с.

133. Соколов С.С., Демидова Н.И., Сафонов В.К. Повышение надежности дизеля путем оптимизации камеры сгорания // Энергомашиностроение. -1973.-№2.-С. 12-14.

134. Семенов Б.Н., Павлов Е.П. Исследование и доводка объемно-пленочного смесеобразования в дизелях // Энергомашиностроение. -1978. -№ 1.-С. 7-10.

135. Balles Е. Fuel-Air Mixing and Diesel Combustion in a rapid Compression Machine: Ph.D. Thesis. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, 1987.- 190 p.

136. Гаврилов B.B. Методы повышения качества смесеобразования и сгорания в судовом дизеле на основе математического и физического моделирования локальных внутрицилиндровых процессов: Автореф. дис. . докт. техн. наук. СПБ.: СПбГМТУ, 2004. - 43 с.

137. Life Cycle Inventory of Biodiesel and Petroleum Diesel for Use in an Urban Bus, Final Report NERL / SR-580-24089. 1998. - 314 p.

138. Yuan W., Hansen A.C., Zhang Q. Vapor pressure and normal boiling point predictions for pure methyl esters and biodiesel fuels // Fuel. 2005. - V.84, N7-8.-P. 943-950.

139. Yuan W., Hansen A.C., Zhang Q. Predicting the physical properties of biodiesel for combustion modeling // Trans. ASAE.' 2003. - V.46, N6. - P. 14871493.

140. Reid R.C., Prausnitz J.M., Poling B.E. The Properties of Gases and Liquids. 4th Edition. New York: McGraw-Hill, 1987. - 540 p.

141. A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions. Draft Technical Report EPA420-P-02-001 / United States Environmental Protection Agency, Denver, 2002. 85 p.

142. Hiroyasu H., Kadota T. Models for Combustion and Formation of Nitric Oxide and Soot in Direct Injection Diesel Engines // SAE Tech. Pap. Ser. 1976. -N760129.-P. 1-14.

143. Kadota Т., Hiroyasu H., Ohya H. Ignition Delay of a Fuel Droplet in High Pressure Gaseous Environments // Trans. JSME. 1975. - Vol. 41, N 348. -P. 3475-2485.

144. Bakenhus M., Reitz R.D. Two-Color Combustion Visualization of Single and Split Injections in a Single-Cylinder Heavy-Duty D.I. Diesel Engine Using an Endoscope-Based Imaging System // SAE Tech. Pap. Ser. 1999. - N 1999-01-1112.-P. 1-18.

145. Hochdruckeinspritzung und Abgasrezirkulation im kleinen, schnellaufenden Dieselmotor mit direkter Einspritzung / W. Schneider und and.

146. MTZ. 1993. -N 11.-S. 588-599.

147. Soon-Ik Kwon, Masataka Arai, Hiroyuki Hiroyasu Ignition Delay of a Diesel Spray Injected Into a Residual Gas Mixture // SAE Tech. Pap. Ser. 1991. -N911841.-P. 1-9.

148. Wartsila. Technology review: Электронный ресурс. URL: http://www.wartsila.eom/Wartsila/global/docs/en/shippower/mediapublications/b rochures/product/engines/w46tr.pdf (дата обращения 12.09.2008).

149. Approaches to solve problems of the premixed lean diesel combustion / H. Akagawa et al. // SAE Tech. Pap. Ser. 1999. -N 1999-01-0183. - P. 1-13.

150. The Effect of Mixture Formation on Premixed Lean Diesel Combustion Engine / A. Harada et al. // SAE Tech. Pap. Ser. 1998. - N 980533. - P. 1-10.

151. Yoshiaki Nishijima, Yasuo Asaumi, Yuzo Aoyagi. Premixed lean diesel combustion (PREDIC) using impingement spray system // SAE Tech. Pap. Ser. -2001.-N2001-01-1892.-P. 1-9.

152. An Experimental and modeling study of iso-octane ignition delay times under homogeneous charge compression ignition conditions / X. He et al.

153. Combustion and Flame. -2005. N142. - P. 266-275.

154. Перепелин А.П., Алексеев B.H. Расчет процесса впрыскивания топлива при наличии кавитации в трубопроводе высокого давления // Двигателе-строение. 1987. - №7. - С. 21-24.

155. Перепелин А.П., Исаев А.И. Расчет процесса в трубопроводе // Топливная аппаратура дизелей: Межвуз. сб. (Ярославль). 1974. - №2. - С. 10-16.

156. Грехов JI.B., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. М.: Легион-Автодата, 2004. - 344 с.

157. Грехов Л.В. Научные основы разработки систем топливоподачи в цилиндры двигателей внутреннего сгорания: Дис. . докт. техн. наук. М.: МГТУ, 1999.-390 с.

158. Neely G.D., Shizuo Sasaki, Leet J.A. Experimental Investigation of PCCI-DI Combustion on emissions in a Light-Duty Diesel Engine // SAE Tech. Pap. Ser.-2004.-N2004-01-0121.-P. 1-11.

159. Aeberli K. Marketing the Sulzer RT-flex50 // Marine news. 2004. - N 2.-P. 16-18.

160. Livengood J.C., Wu P.C. Correlation of Autoignition Phenomena in Internal Combustion Engines and Rapid Compression Machines // 5th International Symposium on Combustion. Pittsburgh (Pennsylvania), 1955. - P. 347-356.

161. Алексеев В.П., Вырубов Д.Н. Физические основы процессов в каме-рах сгорания поршневых ДВС: Учебное пособие по курсу Теория рабочих процессов комбинированных ДВС. M.: МВТУ, 1977. - 84 с.

162. Вырубов Д.Н. О методе расчета испарения топлива // Двигатели внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1954 - С. 20-34.

163. Jean Arregle, Jose V. Pastor, Satiago Ruiz The Influence of Injection Pa-rameters on Diesel Spray Characteristics // SAE Tech. Pap. Ser. 1999. - N 1999-01-0200.-P. 1-8.

164. Свойства дизельного топлива и чистых биотоплив: рапсового метилэфира (ЮЛЕ), соевого метилэфира (БМЕ), жирового метилэфира (ТМЕ).

165. Свойство Бієбєі ЯМЕ 8МЕ ТМЕ

166. Хим. состав топлива С Н О 0,87 0,77 0,7731 0,780,126 0,121 0,1188 0,130,004 0,109 0,1081 0,09

167. Содержание серы, % 0 0,0015 0,005 0,005

168. Низшая теплота сгорания, МДж/кг 42,5 39,45 36,22 38,02

169. Цетановое число 48 54,4 51,3 52,3

170. Плотность при 323 К, кг/м3 830 874 885 876

171. Коэфф. поверхностного натяжения при 323 К, Н/м 0,028 0,0315 0,0433 0,037

172. Динамическая вязкость а1 323 К, Па-с 0,003 0,00692 0,00463 0,00474

173. Молекулярный вес, кг/кмоль 190 296 292,2

174. Давление насыщенных паров при низкой температуре (Т1), бар 0,0477 0,01 0,01 0,01

175. Температура Т1, К 480 481 465 456

176. Давление насыщенных паров р8 при критической температуре, бар 1,616 18,773 15,760 17,674

177. Критическая температура, К 710 802 786 771

178. Коэффициент А 5220 9029 8372 8373

179. Коэффициент В 7,832 14,19 13,41 13,73

180. Давление насыщенных паров рассчитывается по формуле: 1п(р$) = В А / Т, где: коэффициенты А и В приведены в таблицах.продолжение

181. Свойства биотоплив и их смесей с дизельным топливом

182. Свойство Б1е8е1 БМЕ 8МЕ 8МЕ 8МЕ1. ВО В20 В40 В60 В80

183. Хим. состав топлива С Н О 0,87 0,8496 0,8297 0,8104 0,79150,126 0,1245 0,1230 0,1216 0,12020,004 0,0259 0,0473 0,0680 0,0883

184. Содержание серы, %, 0 0,00105 0,00208 0,00308 0,00405

185. Низшая теплота сгорания, МДж/кг 42,5 41,18 39,89 38,64 37,41

186. Цетановое число 48 48,69 49,37 50,03 50,67

187. Плотность при 323 К, кг/м3 830 841 852 863 874

188. Коэфф. поверхностного натяжения при 323 К, Н/м 0,028 0,03122 0,0344 0,03741 0,0404

189. Динамическая вязкость при 323 К, Па с 0,003 0,00334 0,00368 0,004 0,00432

190. Молекулярный вес, кг/кмоль 190 211,5 232,5 252,9 272,8

191. Давление насыщенных паров при температуре Т=480 К, бар 0,0477 0,0433 0,03822 0,03241 0,02567

192. Давление насыщ. паров р5 при критической температуре, бар 1,616 2,408 3,609 5,549 8,956

193. Критическая температура, К 710 721,2 734 748.7 765,9

194. Коэффициент А 5220 5768 6308 6877 7529

195. Коэффициент В 7,832 8,876 9,877 10,90 12,02

196. Свойства рассчитаны по опубликованным данным 103, 134-138.российская федерация

197. РОССИЙСКОЕ АГЕНТСТВО ПО ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ (РОСПАТЕНТ)

198. Об официальной регистрации программы для ЭВМ2004610779

199. Кулето6 сЛн^еЛ С<фшвн1 (1Ш)1. Автор(ы):

200. Кулешов оАпдреА Сергеевн1, Фадеев ЩнЛ 'МнхаАлоШ (Ш)

201. Страна: Российская Федерацияпо заявке № 2004610204, дата поступления: 3 февраля 2004 г.

202. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМг. Москва, 29 марта 2004 г,1. Ожиунын1. ГС ПИ,Г/.f/чагик1. CNR - IMtit iy~5 г.1 collaboraf7ilit: iv.0pi. ^unw^i,--1. N. 0001611 07/11/20081. DEED

203. About the usage of the DIESEL-RK code for engine simulation

204. Dr. Eng •• ^ ^ ----- « at? Dr. Eng, Paola Belardini1. Telefono ++39 01.— . —1. Telex 721061 Is

205. CONSIGUO NAZIONALE DEUE RIŒRCHE ISTITUTO MOTORI IL DIRETTORE1. Managing Director80125 N A POL I Via Marconi, в200800016111. Утверждаю"1. МЄТЬЄВ1. АКТвнедрения программного комплекса ДИЗЕЛЬ-4т

206. МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ МОРСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ65029, м Одеса, пул Мечникова, 34. теч (048) 732-17-35. факс (048) 732-16-21, e-mail- office(ö>osmu Odessa ua

207. Уважаемый Игорь Борисович,

208. Благодарим Вас за предоставленную возможность использования в режиме удаленного доступа программного комплекса «Дизель-РК» в учебном процессе Одесского национального морского университета.

209. Программный комплекс «Дизель-РК» используется нами в научной paooie и учебном процессе судомеханического факультета при чтении дисциплин «Судовые двигатели внутреннего сгорания», «Мониторинг судовых дизелей» и «Системы диагностирования судовых дизелей».

210. В свою очередь, мы будем максимально способствовать популяризации комплекса «Дизель-РК» среди родственных технических вузов Украины.оа.оз «3.QQ9 № .ноч-uS1. МГТУ им. Н.Э.Баумана

211. Ректор ОНМУ, д.э.н., профессор1. Морозова И.В.

212. Утверждаю" Первый проректор -проректор по научной работе1. АКТвнедрения программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК

213. Руководитель НУК "Энергомашиностроение"1. А*1. И.Г.Суровцев

Похожие работы

Энергетическое, металлургическое и химическое машиностроение
05.04.00