CC BY
32
УДК 621.43.019.9
С.А Потапов, С.А. Тишин (Тула, ТулГУ)
ЗОННАЯ МОДЕЛЬ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ ДЛЯ ДВС С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА
Используется нульмлрнсія мoдeль xuмuчecкoй интят горения длярешения задячя по зоням кямеры сгоряния. Реззлътаты отллчяются от решения по осред-ненным паряметрям.
Для систем непосредственного впрыска в цилиндр (Gasoline Direct Injection - GDI) важнейшим преимуществом является способность создавать в камере сгорания систему зон с различным соотношением компонентов горючей смеси. В двигателя Mitsubishi Galant (1996 г.), Pajero Pinin и Carisma (1997 г) использованы два режима впрыска - для работы на стехиометрической и сверхбедной смеси.
В первом режиме впрыск производится широким коническим факелом в начале такта впуска (рис. 1,а). Поршень двигателя имеет сферическую выемку, что обеспечивает раворот струи воздуха, насыщенного парами бензина, в сторону свечи зажигания и, тем самым, обогащенную смесь в ее окрестности. Длительное в течение полутора тактов перемешивание создает условия для последовательного протекания процессов испарения частиц, горения смеси и перемешивания продуктов сгорания за фронтом пламени, что позволяет решить задачу методом химического турбулентного тепломассообмена, развитого в монографии Чеснокова
Рис. 1. Схема конвективных процессов в двигателе СВ1 при различных вариантах впрыска: а - при всасывании и б - в конце сжатия:
1 - форсунка, 2 - впускной клапан, 3 - свеча зажигания,
Г- фронт горения
С.А. [1].
а
б
Во втором режиме впрыск производится узким факелом в конце сжатия, непосредственно перед зажиганием. Струя распыла огибает сферическую выемку и подходит к свече (рис. 1,б), перед которой образуется фронт горения. Интенсивный подвод тепла от фронта способствует ускоренному испарению частиц горючего и сгоранию в струе богатой смеси, причем энергии теплоты достаточно для воспламенения очень бедной смеси в верхней части камеры сгорания. В итоге двигатель устойчиво работает даже при общем соотношении бензина и воздуха 1/40, т.е. при а^р ~ 2,5. Для этого варианта впрыска характерно одновременное протекание процессов испарения частиц топлива, горения смеси и перемешивания продуктов сгорания, что существенно усложняет описание процессов. Поэтому решение задачи перемешивания продуктов горения с учетом их догорания, изложенное ниже, основано на применении нульмерной химической кинетики при достаточно грубых оценках поля избытка воздуха в камере сгорания. Для второго режима впрыска одновременно и интенсивно протекающие процессы в небольшом объеме камеры сгорания способствуют быстрому перемешиванию смеси к концу горения. Таким образом, можно предположить, что во время расширения в цилиндре догорает однородная смесь.
Крива давления р во времени (рис. 2, а) за дав алась по результатам термодинамического расчета рабочего процесса ДВС. Максимальное давление достигает 6 МПа при числе оборотов коленма п = 3000 об/ми. Будем считать, что продукты сгорания образуются в трех областях камеры сгорания с различными значениями коэффициентов избытка воздуха. Объемы зон одинаковы. Экспериментальное, среднее по объему камеры сгорания, значение коэффициента избытка воздуха аСр =2,3. Поэтому, учитывая, что горение во фронте F протекает при оптимальном избытке воздуха а = 0,9 (соответствующем максимальной скорости горения), можно принять следующее распределение по зонам: а = 0,9 / 2,0 / 4,0, обеспечивающее аСр = 2,3 . Такие грубые допущения, конечно, придадут оценочный характер решению задачи, но, при очен широком диапазоне а, даже такое решение представляет определенный инерес.
Решение задачи нульмерной кинетики в каждой из областей заключается в инегрировании системы уравнений нульмерной химической кинетики совместно с уравнением энергии:
Зг-
, (1)
ЗТ
с
1 ( ЗЖ л
V . =^н]5,] - ат ■ Р{Т-Тк)+р— /М , (2)
Зт
где V - моль на доля частиц/; т - время; Т- температура смеси; с - теплоемкость при постоянном объеме; 5^ и Нj - скорость и тепловой эффект т-й реакции с участием 1-й частицы; л - средняя молекулярна масса; ат - коэффициент теплоотдачи, вычисляемый по формуле Вошни; Г -площадь теплообмена; Т^ - температура стенки; р - давление; Ж - объем; М - масса газа. Значения Г, Ж, М соответствуют размерам зоны; теплообменом между зонами пренебрегаем. В число химических реакций входят две реакции распада октана, заменяющего бензин [2], 128 реакций легких углеводородов Басевича В.Я. [3] и 4 реакции обраования оксида аота [4].
На рис. 2, а пунктиром изображены кривые температур горения в каждой из зон (максимаьные температуры соответствуют окончанию горения). Данные по составу смеси в конце горения для каждой из зон (для ра-ных а) приведены в табл. 1. Считаем, что после окончания горения в камере сгорания (т « 1,7 мс) продукты в камере сгорания быстро перемешиваются, при этом осредняются температура и состав смеси. Так как объем трех областей принят одинаковым, осредненные температуру и мольные доли можно определить как средние арифметические.
Рис. 2. Давление, температуры (а) и мольные доли СО и N0 (б,в) в процессах горения и расширения для второго впрыска двигателя СБ1
Эти данные использовались в качестве исходных при решении задачи нульмерной кинетики для однородно-перемешанной смеси в процессе ее расширения в цилиндре при известном изменении давления. Результаты этого решения изображен: сплоштши линиями. Температура смеси при расширении падает до 1100 К, поэтому изменение ее состава при выхлопе и вытеснении можно не изучать. Оксид углерода СО (б) выгорает срау же после перемешивания, дол оксида аота N0 (в) достигает максимума в этот
же период и в дальнейшем не изменяется (эффект "замораживания"). Изменение содержания основных компонентов после перемешивания (т>1,7 мс) представлено в табл. 2. Следует обратить внимание на повышение температуры смеси после перемешивания (с 2080 до 2199 К) из-за ускорения реакций догорания оксида углерода СО. Конечное содержание СО пренебрежимо маое, доля кислорода О2 - около 8%, доля оксида аота NO - 0,14 %.
Таблица 1
Температуры и мольные доли основных компонентов к концу горения в трех зона при различном избытке воздуха (р = 6010Па)
а Т,К Н2 Н2О СО СО2 О2 ОН N0
0,9 2888 0,931Е-02 0,139 0,438Е-01 0,0910 0,003 0,583Е-02 0,292Е-03
2,0 1740 0,163E-05 0,072 0,846Е-04 0,0642 0,104 0,119Е-03 0,729Е-07
4,0 1480 0,244E-06 0,037 0,258Е-03 0,0324 0,157 0,744Е-05 0,280Е-08
Таблица 2
Температуры и мольные доли основных компонентов однородно-перемешанной в процессе расширения смеси
продуктов сгорания
т,мс Т,К Н2 Н20 СО СО2 О2 ОН
1,7 2080 0,310Е-02 0,0827 0,146Е-01 0,0626 0,088 0,199Е-02 0,974Е-04
1,8 2199 0,201Е-04 0,0876 0,898Е-04 0,0779 0,080 0,474Е-03 0,524Е-03
2 1980 0,179Е-04 0,0877 0,853Е-04 0,0779 0,080 0,390Е-03 0,136Е-02
4 1640 0,271Е-05 0,0878 0,112Е-04 0,0780 0,080 0,128Е-03 0,138Е-02
8 1080 0,197Е-07 0,0879 0,853Е-06 0,0780 0,080 0,958Е-05 0,138Е-02
Таблица 3
Температуры и мольные доли основных компонентов продуктов сгорания первоначально-однородной горючей смеси в процессе расширения (аСр = 2,3)
т ,мс Т,К Н2 Н2О СО СО2 О2 ОН Ш
1,7 1638 0,360Е-06 0,0582 0,291Е-04 0,0517 0,125 0,540Е-04 0,302Е-07
2 1518 0,331Е-06 0,0582 0,129Е-05 0,0517 0,125 0,583Е-04 0,153Е-06
4 1255 0,796Е-08 0,0582 0,142Е-06 0,0517 0,125 0,739Е-05 0,156Е-06
8 827 0,565Е-09 0,0582 0,706Е-07 0,0517 0,125 0,698Е-06 0,156Е-06
Эти данные совершенно не соответствуют альтернативному решению задачи при горении первоначаьно - однородной горючей смеси ос-редненного состава (аСр =2,3), результаты которой приведет! в табл. 3.
Библиографический список
1. Химический турбулентный тепломассообмен в ДВС. С.А. Чесно-ков. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - 466 с.
2. Моделирование высокотемпературных реакций горения.
С.А. Чесноков. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2002. - 136 с.
3. Моделирование задержек самовоспламенения метановоздушных смесей в двигателе внутреннего сгорания. В.Я. Басевич, В.И. Веденеев, В.С. Арутюнов. - ФГВ, - 1994. - № 2.- С.7-14.
4. Токсичность двиателей внутреннего сгорания. В.А.Звонов. - М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.
Получено 23.04.08
УДК 621. 43
Н.В. Гриорьева (Тула, ТулГУ)
ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ПРОГНОЗИРУЮЩАЯ СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МДВС
Выполнена проверка адекватности уточненной нелинейной динамической модели МДВС путем сопоставления результатов расчета скоростных характеристик с данными заводских испытаний.
При определении скоростных и нагрузочных характеристик и моделировании переходных процессов в поршневых двиателях применяют динамические модели. С ж помощью решают различные задачи по совершенствованию конструкций двиателей и улучшению показателей рабочего цикла на различных установившихся режимах и переходных процессах [1]. Проводимые расчеты на прочность, исследование колебательного процесса с учетом сил трения целесообрано выполнять с помощью стендовых испытаний ДВС и использовать полученные на их бае опытные характеристики. Полученные численные величины параметров ДВС хотя и сужают диапазон этих исследований, но при этом облегчается расчет ряда характеристик применительно к конкретной модели двиателя. Кроме того, учитываются условия протекания установившегося режима, при котором замеряются крутящий момент, давление, поддерживается температурный режим двигателя, частота вращения коленчатого вала (КВ) и т. д.
С проведением работ по математическому описанию процессов такой составляющей динамической модели, как внешнее смесеобраование, многие вопросы изучены недостаточно полно и в то же время отсутствует экспериментальна интерпретация этого процесса. Однако, с одной сторо-
