Имитация рабочего процесса поршневых двигателей на основе моделей химических реакций, турбулентности и теплообмена

Собранные в табл. данные свидетельствуют, что доступные для экспериментальных измерений параметры рабочего цикла достаточно надежно рассчитываются на основании усовершенствованного в данной работе кинетического подхода. Кроме того, можно определять ряд не измеряемых, но важных для практики эксплуатации ДВС мгновенных и интегральных параметров рабочего процесса.

Следует отметить, что выделенные согласно методике [1] ведущие элементарные акты взаимного превращения веществ хорошо согласуются с набором ведущих реакций в реакционно-диффузионной модели горения жидкого (углеводородного JP-4) топлива [5]. Например, рассчитать приведенные в табл. и другие важные характеристики рабочего процесса ДВС с высокой точностью можно при помощи упрощенной модели, в которой число учитываемых реагентов сокращено на полпорядка, а число реакций _ на порядок.

Согласие результатов проверочных расчетов с известными экспериментальными и теоретическими данными свидетельствуют в пользу адекватности разработанных моделей реальным процессам в современных транспортных ДВС.

Динамика переходных режимов ДВС интересна тем, что такие режимы, во-первых, типичны для городского транспорта, а во-вторых, характеризуются повышенным выбросом СО, углеводородов и сажи. Длительность перехода ДВС к новому стационарному режиму зависит от инерционности транспортного средства и (только для режима торможения) возможностей развязки силового агрегата и систем привода: ее величина может быть значительной - особенно в условиях городского ездового цикла.

Смена стационарного режима в условиях расчета, результаты которого отображены на рис. 2, осуществляется за 20-30 оборотов коленвала, что соответствует двум-четырем секундам ускоренного движения автобуса. Разгон ДВС в вычислительном эксперименте осуществлялся увеличением цикловой подачи топлива в 4 раза; связь интенсивности впрыска с углом поворота коленвала (ПКВ) не изменялась. В равной степени увеличилась мощность, причем прирост распределился между силовой и скоростной составляющими.

Рис. 2 Силовая динамика одноцилиндрового четырехтактного дизеля типа 10Д100

Оценка токсичности отработавших газов

Система усовершенствованных моделей позволяет удовлетворительно воспроизводить кинетику СО-токсичности ДВС при изменении нагрузки, цикловой подачи топлива и ее динамики. Кинетическая кривая [CO]() и фазовый портрет d/dt [CO] ([CO]) для одноцилиндровой версии среднеоборотного дизеля типа 10Д100 при увеличении мощности - от холостого хода до номинальной показаны на рис. 3. Разгон ДВС в вычислительном эксперименте осуществлялся согласно рис. 2.

Более реалистичные модели должны учитывать число цилиндров и тактность двигателя, весь спектр выбрасываемых ТВ и различия их индивидуальной ядовитости.

Рассчитанная автором внутрицилиндровая кинетика NO для тепловозного дизеля 10Д100 отображена на рис. 4.

Рис. 3 Токсичность выхлопа одноцилиндрового дизеля - фазовый портрет d/dt [CO] ([CO]). Выпуск ОГ предполагается при = 120 град. после верхней мертвой точки (ВМТ)

В качестве вычислительной модели использовалось модифицированное кинетическое уравнение Я.Б. Зельдовича [2] (уточнение призвано учесть гибель NO), феноменологические коэффициенты которого восстанавливались по известным экспериментальным данным [6] при помощи генетических алгоитмов. Отметим, что мгновенные различия упрощенной модельной кинетики и зависимостей [NO](), полученных путем интегрирования уравнений детальной кинетики азотсодержащих веществ (~ 150 реакций), не превышают двух раз.

Экстремальный характер кинетической кривой [NO](t) при номинальной мощности ДВС (рис. 4) означает, что высокая интенсивность внутрицилиндровых процессов предопределяет существование двух стадий в цикловой кинетике оксида азота. На первой - «горячей» концентрация NO успевает отслеживать среднюю температуру заряда. Вторая стадия начинается, когда средняя температура становится слишком низкой для протекания реакций гибели NO, и его концентрация претерпевает «заморозку». О триггерном характере релаксационной кинетики NO в ДВС свидетельствует также «болтанка» на рис. 4.

Рис. 4 Кинетика образования оксида азота в цилиндре дизеле 10Д100 на режиме номинальной (экстремальная кривая) и половинной (монотонная кривая) мощности

При частичных нагрузках средняя температура рабочего тела не достаточна для «запуска» реакций гибели NO, поэтому средняя концентрация окислов азота в рабочем теле монотонно увеличивается. В отсутствие гибели NO «болтанка» не проявляется. С момента 30 град. ПКВ релаксацией NO можно пренебречь при любом режиме такого дизеля.

В обоих случаях содержание NO в выхлопе близко к экспериментально измеряемым значениям [6]. Рассчитанное соотношение NO-токсичности выхлопа при номинальной и половинной мощности также вполне реалистично: по этому веществу среднеоборотный дизель экологически чище примерно вдвое при работе на номинальной мощности, чем при частичных нагрузках (если рассматривать относительное, а не общее содержание NO в ОГ).

Представленные на рис. 5-6 результаты компьютерной имитации свидетельствуют о пригодности разработанных моделей для расчета весьма тонких экологических показателей системы «двигатель - топливо - режим». Здесь следует отметить, что детали модельной кинетики альдегидов (рис. 5, а) и углеводородов (рис. 5, б) хорошо согласуются с новейшими теоретическими и экспериментальными данными [6-7].

Кинетические кривые на рис. 5, б свидетельствуют, что по завершении фазы активного горения основным углеводородом в ОГ является ацетилен. Этот факт объясняется наибольшей прочностью С С связи ацетилена среди углерод-углеродных связей в углеводородах с теплотой сгорания, близкой к теплоте сгорания моторных топлив. На стадии активного горения «усредненным» углеводородом в заряде является этилен (рис. 5, б): его доминирование объясняется тем, что С1-углеводороды окисляются существенно быстрее, чем С2-улеводороды, а С3-углеводороды, наоборот, заметно медленней.

Рис. 5 Кинетика альдегидов (а) и углеводородов (б) в дизеле 10Д100 на режиме номинальной мощности

Отметим, что рассмотренная ситуация отвечает условиям достаточно хорошего смесеобразования, при котором в выхлопе практически отсутствуют высшие углеводороды. Высокое качество смесеобразования в рассмотренном примере выражается также в отсутствии существенных количеств альдегидов в выхлопе, что согласуется с данными [6-7].

Таким образом, созданная система моделей позволяет: 1) рассчитывать энергетические характеристики ДВС, его экономичность, а также токсичность выхлопа по СО, CxHy, RCHO, NO; 2) выявлять ведущие физико-химические процессы во внутрицилиндровой кинетике; 3) анализировать динамику внутрицилиндровых процессов и вырабатывать способы их оптимизации; 4) на научной основе разрабатывать способы управления внутрицилиндровыми процессами.

Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (коды проектов НШ-1783.2003.8, НШ-3609.2006.8).

Список обозначений

t -- время, с;

P -- давление, атм;

D -- коэффициент диффузии, см2/с;

SP -- площадь поршня, см;

r(t) -- мгновенное значение плеча, м;

-- угол поворота коленвала, градусов ПКВ.

[Z] -- концентрация вещества Z на рисунках, выраженная в объемных (мольных) долях;

Re -- число Рейнольдса.

Список литературы

1. Яценко О.В., Загороднюк В.Т. Компьютерное моделирование задач прикладной физико-химической динамики. Ростов н/Д: СКНЦ ВШ, 2001.

2. Зельдович Я.Б. Теория горения и детонации газов. М.: Изд-во АН СССР, 1944.

3. Колесниченко А.В., Маров М.Я. Турбулентность многокомпонентных сред. М.: Наука, 1999.

4. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС / Под ред. Р.М. Петриченко. Л.: Машиностроение, 1990.

5. Jachimowski C.J. A simplified hydrocarbon reaction mechanism for combustion applications // J. Propulsion and Power, 1985. v. 1. № 5. p. 329-335.

6. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. М.: Изд-во МГТУ, 2002.

7. Warnatz J., Maas U., Dibble R.W. Combustion. Physical and chemical fundamentals, modeling and simulations, experiments, pollutant formation. Springer, 2001. 340 p.

Размещено на Allbest.ru