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

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

Supplementary files