Optimization of the working cycle of a transport diesel engine by simulating the combustion process with a double Wiebe function

Abstract


For modeling the working cycle of transport diesels, models with two laws of combustion according to the Wiebe, mathematically related to each other and corresponding to the initial and main periods of the process, are increasingly being used. However, known mathematical models give different results in estimating the distribution of fuel shares between these periods. These models also do not allow to simulate a smooth start of the combustion process. Therefore, a new mathematical model was developed for calculating the working cycle of a diesel engine with two independent laws of combustion of fuel, described by the functions of Wiebe. Communication between them is carried out through a new parameter, which is the proportion of fuel, burning in the initial period, from the total cyclic feed. The novelty of the model is also the ability to set, within a wide range, independently of each other, the angles of the start and duration of the first and second combustion laws for the initial and base periods, respectively. A program for calculating the operating cycle with simulation of the combustion process using a new mathematical model is developed. Calculations have been made for a transport diesel engine equipped with a fuel-supply system of a battery type. The results of the calculation showed that an increase in the fraction of the fuel burned according to the first law from 0.1 to ~ 0.3 with other parameters being constant leads to a significant increase in the maximum pressure in the diesel cylinder and some improvement in the indicator indexes. With a further increase in the fuel fraction to 0.5, the maximum gas pressure continues to increase, and the indicator indexes slightly deteriorate. At the same time, in the initial period, the value of the index of the combustion character has practically no effect on the indicator index of the diesel engine and the maximum pressure in the cylinder. In the main period, the value of the indicator of the nature of combustion, on the contrary, significantly affects the indicator indexes of the diesel engine and the maximum pressure in the cylinder. The calculation determines the optimal heat release law in the diesel cylinder of ChN15/16 type, which provides the best indicator values when the maximum pressure in the cylinder is limited.

Full Text

Введение В процессе сгорания топлива в современных транспортных дизелях скорость тепловыделения, как правило, имеет два периода с различным механизмом горения. Особенно ярко это проявляется в дизелях, которые оснащены аккумуляторной системой топливоподачи. Известные математические модели процесса сгорания по И.И. Вибе [1, 2] с одним максимумом дают заметные погрешности в определении максимальной относительной скорости сгорания в начальном периоде процесса. Поэтому для моделирования рабочего цикла транспортных дизелей всё чаще применяются модели с двумя законами сгорания по И.И. Вибе [3-10 и др.] математически связанными между собой и соответствующими начальному и основному периодам процесса. Они позволяют выделить продолжительности характерных периодов и особенности изменения скоростей сгорания топлива в них. Однако эти модели дают различные результаты в оценке распределения долей топлива между этими периодами, а также не позволяют моделировать плавное начало процесса сгорания. В связи с этим для моделирования рабочего цикла дизелей назрела необходимость введения нового параметра - доли топлива Φ, участвующего в сгорании в начальном периоде, от общей цикловой подачи. На кафедре «Двигатели внутреннего сгорания и электронные системы автомобилей» Южно-Уральского государственного университета (национальный исследовательский университет) разработана новая модель и программа расчета рабочего цикла с двумя законами сгорания топлива по И.И. Вибе, которые позволили моделировать процесс тепловыделения в цилиндре транспортных дизелей, оснащенных как штатной системой топливоподачи, так и аккумуляторной системой топливоподачи с высоким давлением впрыска. Целью исследования являлась расчётная оптимизация параметров рабочего цикла форсированного транспортного дизеля типа ЧН15/16 для получения наилучших индикаторных показателей при ограничении максимального давления в цилиндре за счёт выбора доли топлива Φ, сгорающего в начальном периоде, и характеристик двух законов сгорания по И.И. Вибе. Новая модель расчета процесса сгорания в дизеле Расчет процесса сгорания в цилиндре транспортного дизеля с аккумуляторной системой топливоподачи с новым параметром представлена следующим выражением для определения доли топлива от цикловой подачи, сгоревшего при текущем положении коленчатого вала: , (1) где Φ - доля топлива, участвующего в сгорании в начальном периоде, от общей цикловой подачи; φн, φосн - текущие продолжительности начального и основного периодов процесса сгорания от их начала в градусах поворота коленчатого вала (град ПКВ); φzн, φzосн - общие продолжительности начального и основного периодов процесса сгорания в град. ПКВ; mн, mосн - показатели характера начального и основного периодов процесса сгорания. Новая математическая модель по форме подобна модели процесса сгорания N. Kojima [4]. Но в ней применяются два независимых закона сгорания топлива, описанных функциями И.И. Вибе. Связь между ними осуществляется через новый параметр - долю топлива, сгорающего в начальном периоде, от общей цикловой подачи. Выгорание топлива в начальном периоде задаётся первым законом сгорания И.И. Вибе, а в основном периоде - вторым законом сгорания И.И. Вибе. Величины углов начала и продолжительности первого и второго законов сгорания для начального и основного периодов, соответственно, можно задавать в широких пределах независимо друг от друга. Это позволяет при необходимости моделировать плавное начало процесса сгорания за счёт более раннего начала основного периода сгорания по сравнению с начальным. Что расширяет возможности для учёта особенностей характеристики впрыскивания топлива, его распределения в камере сгорания и подготовки к воспламенению в форсированных дизелях с аккумуляторной системой топливоподачи при многофазном впрыске. Изменяя показатели характера сгорания, углы начала и продолжительности отдельных периодов сгорания, а также долю топлива Φ, можно моделировать различные законы выгорания в зависимости от заданных ограничений по параметрам рабочего цикла. Суммарная скорость сгорания топлива в цилиндре определяется сложением скоростей сгорания в начальном и основном периодах. При Φ = 0 или Φ = 1 скорость сгорания имеет один максимум в соответствии с законом проф. И.И. Вибе. При Φ от 0 до 1 скорость сгорания будет иметь два максимума, характерных для рабочего процесса современных транспортных дизелей с аккумуляторной системой топливоподачи (рис. 1). Новая модель расчета процесса сгорания в дизеле применяется на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания и электронные системы автомобилей» Южно-Уральского государственного университета (национальный исследовательский университет) при моделировании рабочего цикла с двумя законами сгорания топлива по И.И. Вибе. Расчёт рабочего цикла в этом случае производится по шагам от точки 1 (начало шага) до точки 2 (конец шага) по известной методике [11]. При этом используется выражение для определения давления в цилиндре дизеля на каждом шаге расчёта [11]: , где ΔQсг, ΔQт.о. - количества теплоты, выделившейся при сгорании топлива и отведенной от рабочего тела (теплоотдача в стенки); m - масса рабочего тела в цилиндре; p, v - давление и удельный объем рабочего тела в цилиндре; k = Cp/Cv - показатель адиабаты. Рис. 1. Дифференциальная характеристика выгорания топлива: θн, θосн - углы начала сгорания в начальном и основном периодах, соответственно; φz - общая продолжительность процесса сгорания; dx/dφ, dxн/dφ, dxосн/dφ - относительные скорости сгорания топлива суммарная, в начальном и основном периодах, соответственно Теплота, выделившаяся при сгорании топлива на расчетном участке рабочего цикла (от т. 1 до т. 2), определяется по известному выражению: , где - масса топлива, сгоревшего на шаге расчета от т.1 до т.2, ξ - коэффициент эффективности сгорания, Hu - низшая теплотворная способность топлива. Масса топлива определяется через приращение доли выгоревшего топлива, полученной по выражению (1), от цикловой подачи за шаг расчёта. Теплота, отведённая от рабочего тела, вычисляется по известному закону Ньютона-Рихмана: , где α1 - коэффициент теплоотдачи от рабочего тела в стенки, F1 и Tw - площадь и температура поверхности надпоршневого объёма в начале шага расчета, Т1 - температура рабочего тела в начале шага расчета, n - частота вращения коленчатого вала, Δφ - угол поворота коленчатого вала за шаг расчёта. Расчётные исследования с новой математической моделью сгорания топлива Описанная математическая модель положена в основу методики и алгоритма инженерного программного обеспечения - «Программы расчета рабочего цикла дизеля «Double-Wiebe function», на которую получено Свидетельство о госрегистрации [12]. С её использованием выполнены расчётные исследования влияния на показатели рабочего цикла дизеля доли топлива и показателей характера сгорания в начальном и основном периодах. Расчёты проведены для форсированного транспортного дизеля типа ЧН15/16. В быстроходных дизелях, как правило, скорость тепловыделения имеет ярко выраженный максимум в начальном периоде в течение короткого промежутка времени. Второй максимум в основном периоде выражен неярко и достигает своего значения после сгорания доли топлива в первом периоде. Поэтому при расчётных исследований влияния на показатели рабочего цикла дизеля доли топлива, участвующего в сгорании в начальном периоде, принимались следующие исходные данные: продолжительность сгорания в этом периоде φzн = 13 град. ПКВ и показатель характера сгорания m1 = 0,7. Продолжительность сгорания и характер сгорания в основном периоде принимались φzосн = 110 град. ПКВ и m2 = 0,7. Цикловая подача топлива сохранялась неизменной. а) б) Рис. 2. Зависимость параметров pmax, ηi (а) и pi, gi (б) от доли топлива Φ Полученные результаты расчёта рабочего цикла приведены на рис. 2. Увеличение доли топлива Φ, сгорающего в начальном периоде по первому закону, от 0,1 до ~0,3 при неизменных остальных параметрах приводит к существенному повышению максимального давления в цилиндре дизеля и некоторому улучшению индикаторных показателей. Наилучшие индикаторные показатели получены при Φ = 0,33: среднее индикаторное давление цикла pi = 1,708 МПа, удельный индикаторный расход топлива gi = 179,6 г/кВт·ч, индикаторный КПД ηi = 0,4716. Максимальное давление pmax составляет 15,0 МПа. При дальнейшем увеличении доли топлива до 0,5 максимальное давление газов pmax продолжает повышаться до 16,6 МПа, а индикаторные показатели незначительно ухудшаются. На рис. 3 приведены расчётные графики изменения давления в цилиндре и скорости тепловыделения при различных значениях доли топлива, участвующего в сгорании в начальном периоде. Здесь видно, что чем больше эта доля топлива, тем больше максимальная скорость тепловыделения в начальном периоде и меньше максимальная скорость тепловыделения в основном периоде. Это приводит к увеличению скорости нарастания давления и повышению максимального давления в цилиндре. Очевидно, что доля топлива, участвующего в сгорании в начальном периоде, в реальном транспортном дизеле с аккумуляторной системой топливоподачи и двухфазным впрыском непосредственно зависит от количества топлива, поданного в первой фазе. Эта доля будет тем больше, чем больше пилотная порция топлива. Таким образом, использование разработанной программы позволяет на стадии проектирования планировать величину пилотной порции топлива. На рис. 4 и 5 приведены результаты расчета рабочего цикла дизеля при различных показателях характера сгорания в начальном m1 и основном m2 периодах. Величина доли топлива Ф принималась 0,33, при которой получены наилучшие индикаторные показатели. Увеличение показателя m1 от 0 до 4,0 при неизменных остальных параметрах приводит к незначительному улучшению индикаторных показателей (индикаторный КПД ηi, среднее индикаторное давление pi, удельный индикаторный расход топлива gi) и уменьшению максимального давления газов в цилиндре дизеля на ~1,4 %. То есть закон выгорания топлива в начальный период мало влияет на показатели дизеля. Это объясняется малой продолжительностью начального периода сгорания. а) б) Рис. 3. Графики изменения давления p (а) в цилиндре и скорости тепловыделения Qсг (б) при различных значениях доли топлива Φ Увеличение показателя m2 от 0 до 1,6 при неизменных остальных параметрах приводит к существенному ухудшению индикаторных показателей (на ~15,4 %) и снижению максимального давления газов в цилиндре дизеля от 18,3 МПа до 13,8 МПа (на ~ 32,6 %). То есть закон выгорания топлива в основной период существенно влияет на показатели дизеля. Это объясняется относительно большой продолжительностью основного периода сгорания φzосн = 110 град. ПКВ. а) б) Рис. 4. Влияние показателя характера сгорания m1 на параметры pmax, ηi (а) и pi, gi (б) а) б) Рис. 5. Влияние показателя характера сгорания m2 на параметры pmax, ηi (а) и pi, gi (б) Заключение По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы. 1. Разработана новая математическая модель процесса сгорания с двумя независимыми законами сгорания топлива, описанными функциями И.И. Вибе. Связь между ними осуществляется через новый параметр - долю топлива, сгорающего в начальном периоде, от общей цикловой подачи. Новизной модели является также возможность задавать в широких пределах независимо друг от друга величины углов начала и продолжительности первого и второго законов сгорания для начального и основного периодов, соответственно. 2. Разработана программа расчёта рабочего цикла с моделированием процесса сгорания по новой математической модели, позволяющая моделировать процесс сгорания топлива в цилиндре транспортного дизеля не только со штатной топливоподающей аппаратурой, но и с системой топливоподачи аккумуляторного типа. 3. По результатам расчета наилучшие индикаторные показатели (среднее индикаторное давление цикла pi = 1,708 МПа, удельный индикаторный расход топлива gi = 179,6 г/кВт·ч, индикаторный КПД ηi = 0,4716) для транспортного дизеля типа ЧН15/16 при условии ограничения максимального давления в цилиндре на уровне 15,0 МПа получены при доле топлива, участвующего в сгорании в начальном периоде, около 0,33. 4. Величина показателя характера сгорания в начальный период практически не влияет на индикаторные показатели дизеля и максимальное давление в цилиндре при малой продолжительности этого периода сгорания. 5. Величина показателя характера сгорания в основной период существенно влияет на индикаторные показатели дизеля и максимальное давление в цилиндре при относительно большой продолжительности основного периода сгорания. 6. Представленная модель процесса сгорания позволяет выполнять поисковые инженерные расчеты для транспортных дизелей с аккумуляторной системой топливоподачи и на стадии проектирования планировать величину пилотной порции топлива.

About the authors

V. G Kamaltdinov

South Ural State University

Email: vkamaltdinov@yandex.ru

Dr.Eng.

V. A Markov

Bauman MSTU


Dr.Eng.

I. O Lysov

South Ural State University


A. E Popov

South Ural State University


Ph.D.

A. E Smolij

South Ural State University


References

  1. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. М.; Свердловск: Машгиз, 1962. 272 с.
  2. Wiebe I.I. Brennverlauf und Kreisprozeβ von Viebrennnungsmotoren. Berlin: Vebverlagtechnik, 1970. 286 p.
  3. Maroteaux F., Saad C., Aubertin F. Development and validation of double and single Wiebe function for multi-injection mode Diesel engine combustion modelling for hardware-in-the-loop applications // Energy Conversion and Management. 2015. Vol. 105. P. 630-641, doi: 10.1016/j.enconman.2015.08.024.
  4. Murayama T., Kojima N., Satomi Y. A simulation of diesel engine combustion noise // SAE Technical Paper. 1976. Vol. 760552. 16 pp.
  5. Song Hu, Hechun Wang, Chuanlei Yang, Yinyan Wang. Burnt fraction sensitivity analysis and 0-D modelling of common rail diesel engine using Wiebe function // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 115. P. 170-177. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.12.080.
  6. Yeliana Yeliana, Cooney C., Worm J., Michalek D.J., Naber J.D. Estimation of double-Wiebe function parameters using least square method for burn durations of ethanol-gasoline blends in spark ignition engine over variable compression ratios and EGR levels // Applied Thermal Engineering. 2011. Vol. 31. Is. 14-15. P. 2213-2220. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2011.01.040.
  7. Yongrui Sun, Hechun Wang, Chuanlei Yang, Yinyan Wang. Development and validation of a marine sequential turbocharging diesel engine combustion model based on double Wiebe function and partial least squares method // Energy Conversion and Management. 2017. Vol. 151. P. 481-495. doi: 10.1016/j.enconman.2017.08.085.
  8. Лазарев Е.А. Основные принципы, методы и эффективность средств совершенствования процесса сгорания топлива для повышения технического уровня тракторных дизелей: монография. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. 288 с.
  9. Марченко А.П., Осетров А.А., Линьков О.Ю. Математическая модель процесса сгорания топлива в дизеле // Двигатели внутреннего сгорания. 2013. № 1. С. 3-10.
  10. Черноусов А.А. Модель процесса в рабочей камере ДВС и метод идентификации модели по индикаторной диаграмме // Вестник УГАТУ. 2017. № 1(75). C. 50-55.
  11. Камалтдинов В.Г. Уточненная методика расчета параметров рабочего тела на пусковых режимах дизеля // Двигателестроение. 2008. № 2(232). С. 31-34.
  12. Камалтдинов В.Г., Лысов И.О. Программа расчета рабочего цикла дизеля «Double-Wiebe function». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017610304, Российская Федерация. Опубликовано 10.01.2017.

Statistics

Views

Abstract - 15

PDF (Russian) - 0

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

Copyright (c) 2018 Kamaltdinov V.G., Markov V.A., Lysov I.O., Popov A.E., Smolij A.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies