CC BY
35
УДК 621.436.001
ОПЫТ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВС С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ГОМОГЕННОГО ЗАРЯДА ОТ СЖАТИЯ
С.В. Гусаков, Махмуд Мохамед Эль Гобаши Эль Хагар
Кафедра "Комбинированные ДВС"
Российский университет дружбы народов Россия 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
В статье приводится описание принципов построения расчетной модели и некоторые результаты моделирования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания с воспламенением заряда от сжатия.
Рабочий процесс, реализуемый в поршневых двигателях внутреннего сгорания при самовоспламенении гомогенной смеси от сжатия (HCCI - процесс), привлекает пристальное внимание ведущих компаний по производству автомобилей и двигателей. Причиной является высокий КПД, на уровне или даже выше дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива, и предельно низкие концентрации сажи и оксидов азота в отработавших газах. На рис.1 приведены результаты виузализации процесса сгорания, полученные на двигателе с прозрачным поршнем в компании Daimler Chrysler, в традиционном двигателе с искровым зажиганием и двигателе с HCCI процессом.
Рис.1. Термозональная высокоскоростная видиосъемка процесса горения рабочей смеси: а - в бензиновом двигателе с искровым зажиганием; б- в двигателе с самовоспламенением гомогенной смеси от сжатия. Более темными отображаются зоны с более высокой температурой
Видно, что в двигателе с искровым зажиганием имеются высокотемпературные зоны, в которых образуется оксид азота. При ЯСС/ процессе температурное поле более однородно, а уровень температуры ниже, что и объясняет концентрации NOx в отработавших газах на уровне единиц, максимум десятков ррт. Следует отметить, что двигатели с самовоспламенением гомогенного заряда имеют качественное регулирование, работая при достаточно высоких значениях коэффициента избытка воздуха (а > 2) для обеспечения ограничения по скорости нарастания давления и максимального давления цикла. Поэтому максимальные среднетермодинамические температуры в цилиндре лежат ниже минимальной температуры, при которой становится заметной скорость образования оксида азота (= 2200 К). Это отличает НСС1 процесс от дизельного, при котором горение топлива происходит в области стехиометрических значений при температурах, значительно превышающих среднетермодинамическую.
Высокий КПД HCCI процесса объясняется меньшим временем протекания процесса тепловыделения по сравнению, как с дизелями, так и с двигателями с искровым зажиганием, а горение гомогенной смеси при а > 2 не приводит к образованию сажи.
В то же время НСС1 процесс имеет особенности, которые, видимо, стоит рассматривать как недостатки, и от успешного их преодоления зависит, станут ли двигатели этого класса доминировать на потребительском рынке. Первое - это "неуправляемый процесс сгорания". В ЯСС/ двигателях объемное сгорание топливовоздушной смеси, по сути, аналогично сгоранию квазигомогенной смеси в первой стадии сгорания в дизеле, определяющей динамические нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и уровень шума. Второе, это управление моментом самовоспламенения смеси, для чего может использоваться: управление цетано-вым числом топлива (применение смесевого топлива, состоящего из двух компонентов с
4L. ■ . ; ;
“-к
6
различной склонностью к самовоспламенению), подогрев заряда на впуске, изменение степени сжатия и др.
В связи с тем, что в настоящее время не выработаны генеральные направления управления рабочим процессом в НСС1 двигателях, представляется целесообразным разработать математическую модель, позволяющую провести параметрические исследования процесса.
150 135 120
105 90 75 60 45 30 15 0 -15
1
11
11
и
і ! *1
✓ я.
Угол поворота коленчатого вала, град.ПКВ
-30
-20
-10
0
10
20
30
Рис.2. Сравнение результатов обработки экспериментальных индикаторных диаграмм в функцию теплоиспользования (слева) и результаты моделирования процесса тепловыделения (справа) для аналогичных режимов работы ДВС с воспламенением гомогенного заряда от сжатия
В модели развитие процесса горения рассматривается как протекание бимолекулярной реакции окисления топлива, характеризующейся эффективной энергией активации и экспоненциальной зависимостью скорости реакции от температуры, которая в свою очередь зависит, как от количества выгоревшего топлива, так и от затрат энергии на изменение внутренней энергии смеси и продуктов сгорания, совершаемой работы и тепловых потерь.
Угол поворота коленчатого вала, градЛКВ
Рис.
3. Характер протекания давления в цилиндре, регистрируемый в ходе эксперимента (слева) и полученный в результате моделирования процесса тепловыделения (справа)
500
-30 -20 -10 О 10 20 30
Рис.4. Текущая термодинамическая температура в цилиндре двигателя, полученная при обработке экспериментальных индикаторных диаграмм (слева) и в результате моделирования процесса тепловыделения (справа)
Для настройки модели использовались данные экспериментальных исследований, прове-
денных в Ибаракском университете (Япония) под руководством доктора Чена [1]. Для исследований использовался дизель Уаптаг 14 9,2/9,6, конвертированный для работы по ИСС1 - процессу. В качестве топлива использовалась газообразная смесь природного газа (ПГ) и диметил эфира (ДМЭ). На рис.2 (слева) приведены экспериментальные индикаторные диаграммы. Обработка их, как авторами эксперимента, так и нами, дала идентичные результаты по протеканию среднетермодинамической температуры (рис.З, слева) и скорости тепловыделения (рис. 1, слева) по углу поворота коленчатого вала.
В результате идентификации модели была установлена взаимосвязь эффективной энергии активации с цетановым числом смесевого топлива, что позволило провести расчеты для различных составов смесевого топлива и условий организации процесса сгорания топлива в двигателе. Методика расчета состояла из следующих этапов:
- выбор условий работы двигателя: степени сжатия, примерного нагрузочного режима, условий на впуске в двигатель;
- выбор локального коэффициента избытка воздуха по природному газу {аш)\
- проведение расчета рабочего цикла при различных значениях локального коэффициента избытка воздуха по ДМЭ (адш)-
При моделировании нагрузка двигателя оценивалась по суммарному коэффициенту из-
аПГ ■01 ДМЭ
ССг
. Низшая теплота сгорания смесевого топлива (#„„,),
бытка воздуха асм
'Хпг + адмэ
его цетановое число ЩЧСм) и масса воздуха (/0 см), теоретически необходимая для полного сгорания 1 кг смесевого топлива
к, =-
а
пг
• hnr ' Нидю + адмэ ' Ьдмэ ' Ни пг адмэ ' дмэ + апг ' hnr
ЦЧСМ =
апг ‘ hnr
' ЦЧ дмэ+ССдмэ • ^0 ДМЭ
цч
пг
адмэ hдмэ + апг ' hnr
Ьсм ~
h дмэ ' hnr\anr
+ а
ДМЭJ
адмэ ' Ьдмэ + апг
опг
определялись по соответствующим параметрам индивидуальных веществ (ПГ и ДМЭ).
На рисунке 5, 6 приведены некоторые результаты моделирования рабочего процесса. В качестве оценочного показателя выбран индикаторный КПД.
Рис.6. Закон изменения цетанового числа смесевого топлива, обеспечивающий наивысший индикаторный КПД цикла при 7,= 320 К; е=17,7
а
2,5 3 3,5 4 4,5 5
Рис.5. Зависимость индикаторного КПД от среднего коэффициента избытка воздуха: Тг= 320 К; е = 17,7; адМэ = var> I - <*дмэ = 4,0; 2 - адуэ = 4,8;
3 ■ адмэ = 5,5; 4 - адмэ = 6,2; 5 - адмэ = 7,1
Из представленных графиков видно, что каждому значению суммарного (с учетом, как природного газа, так и ДМЭ) коэффициента избытка воздуха соответствует некоторое соотношение между компонентами смесевого топлива, обеспечивающее максимальный индикаторный КПД процесса. Иными словами, на каждом нагрузочном режиме состав смесевого
топлива (его цетановое число) должен быть таков, чтобы обеспечить самовоспламенение
смеси в момент поворота коленчатого вала двигателя на угол, наивыгоднейший с позиций совершения в цикле максимальной работы. Следует отметить, что наивысший термодина-
мический КПД можно получить, осуществляя подвод тепла вблизи ВМТ цикла, следствием чего являются высокие значения максимального давления в цилиндре и скорости его нарастания. Поэтому, рассматривая возможность организации НСС1-процесса на базе какой-либо конкретной модели двигателя, следует ввести ограничения по максимальному давлению цикла, исходя из конструктивных особенностей используемого ДВС.
На рис.5 приведены результаты расчета для условий, соответствующих экспериментальным (Та= 320 К; е = 17,7) [1]. Из графиков видно, что в диапазоне изменения суммарного коэффициента избытка воздуха асм = 3,0...4,5 индикаторный КПД может быть получен на уровне 0,56...0,58, путем изменения состава смеси, причем закон изменения состава смеси (цетанового числа смесевого топлива) представлен на рис.6.
Как известно, цетановое число характеризуя склонность топлива к самовоспламенению от сжатия, не определяет химический состав топлива. То есть одному и тому же цетановому числу соответствуют топлива различного химического состава. Поэтому требуемый закон изменения цетанового числа (рис.6) может быть получен при применении топлив, состоящих из смеси других компонентов. Так, на рис.7 приведены результаты расчета локальных коэффициентов избытка воздуха для четырех двухкомпонентных смесевых топлив в зависимости от степени нагрузки двигателя.
—~п£-----ДМЭ---А-95----ДМЭ...ДТ-50• • • -ПГ - - -СпНт -Пг]
Суммарный коэффициент избытка воздуха
Рис. 7. Законы управления составом рабочей смеси, обеспечивающие наивысший индикаторный КПД для четырех смесевых топлив, состоящих из:
1 - ПГ и ДМЭ;
2 - А-95 и ДМЭ;
3 - ДТ и ПГ;
4 - ПГ и СпН2п+2 (п = 7...10)
В качестве компонентов смесевого топлива в двигателе HCCI-процессом, кроме природного газа и ДМЭ, могут быть использованы сочетания: бензина с ДМЭ, дизельного топлива или парафиновых углеводородов с природным газом, что значительно расширяет топливную базу этого типа двигателей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Experimental Study of Cl Natural-Gas/DME Homogeneous Charge Engine/ Zhili Chen, Mitsuru Konno, Mitsuharu Oguma, Tadanori Yanai. - SAE Paper. -No 2000-01-0329. - 10 p.
UDC 621.436.001
EXPERIENCE OF MODELLING OF WORKING PROCESS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES WITH HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION
S.V. Gusakov, Mahmoud Mohamed El-Ghobashy El-Hagar
Department of Internal Combustion Engines Russian Peoples’ Friendship University Miklukho-Maklaya st., 6, 117198 Moscow, Russia
The article presents the principal of the mathematical model of the homogeneous charge compression ignition engine, the performance of this engine and its characteristics.
