Исследование влияния газодинамических процессов на функционирование ДВС

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является основной энергетической установкой наземных транспортных средств. Поэтому важной задачей является совершенствование существующих двигателей и их рабочих процессов с целью улучшения мощностно-экономических и экологических показателей ДВС.

На эффективность работы ДВС в значительной степени влияет совершенство газодинамических процессов, протекающих в проточных их частях. Это влияние проявляется не только при очистке цилиндров от выпускных газов и заполнении их свежим зарядом, но и при протекании процессов смесеобразования и сгорания. Таким образом, от рациональной организации газодинамических процессов в каналах зависят как эффективные, так и индикаторные показатели двигателей [35].

При проектировании системы газообмена к ней предъявляются основные требования, состоящие в максимизации коэффициента наполнения r|v, минимизации коэффициента остаточных газов у0Ст> а также в создании надлежащей закрутки заряда в цилиндре и камере сгорания.

Газовоздушные тракты ДВС имеют, как правило, сложную геометрическую форму и обладают определенными гидравлическими сопротивлениями, что обусловливает наличие перепада давлений между цилиндром и окружающей средой. От величины этого перепада зависят затраты энергии на газообмен, количество поступившего в цилиндр свежего заряда и количество продуктов сгорания, остающихся в цилиндре в конце выпуска. Кроме того, течение свежего заряда и отработавших газов сопровождается теплообменом со стенками каналов и ци-. линдра. Исследования по улучшению проточной части впускных и выпускных трубопроводов подтверждают, что имеется значительный резерв повышения технико-экономических показателей двигателей [24]. Существенно сказывается на очистке цилиндров от продуктов сгорания и заполнении их свежим зарядом нестационарность течения, а также волновые процессы во впускной и выпускной системах. Так, при оптимальном выборе параметров впускной и выпускной систем (в первую очередь фаз газораспределения, законов открытия клапанов, длины и диаметров трубопроводов) можно увеличить эффективную мощность четырехтактных ДВС на 15−25%, двухтактных на 30−70% [22]. В связи с этим, уже существуют конструкции двигателей с переменными фазами газораспределения и изменяемой длиной впускных трубопроводов [79, 84].

При проектировании впускной системы двигателей (в большей степени это относится к дизелям) существенным требованием является создание необходимой для процесса смесеобразования интенсивности движения свежего заряда в цилиндре и камере сгорания. Закрутка потока (вращательное движение вокруг оси цилиндра) чаще всего создается надлежаще спроектированным впускным каналом и образуется как следствие ввода в цилиндр потока, обладающего начальным моментом количества движения. Наиболее предпочтительным подходом к генерации закрутки является применение винтового впускного канала [13, 67], который заставляет поток вращаться над клапаном вокруг его штока. Создаваемая закрутка интенсифицирует процессы смесеобразования и сгорания и тесно связана с наполняемостью цилиндра двигателя.

Таким образом, основной задачей исследования газодинамических явлений в ДВС является оптимизация параметров впускной и выпускной систем по следующим критериям [35]:

— показателю процесса газообмена (расходу воздуха, свежей смеси);

— показателю процесса сгорания (полноты, продолжительности сгорания).

Исследованию газодинамических процессов в ДВС посвящены труды ряда ученых: Г. Блэера, М. М. Вихерта, В. Р. Гальговского,.

С, А Глаговского, Ю. А. Гришина, Б. Х. Драганова, Б. А. Киселева, М.Г. Круг-лова, Н. В. Лобова, Б. П. Рудого, P.P. Силлата и некоторых других.

Среди методов исследования газодинамических процессов наиболее распространенным является экспериментальный метод последовательных проб [7, 13, 24, 67]. Этот метод широко используется для конструирования и доводки каналов и требует больших затрат времени и труда. При проведении опытов действительно протекающий неустановившийся процесс заменяется рядом стационарных продувок (процессов), охватывающих все режимы течения в канале. Методы опытного исследования предназначены, как правило, для интегральной оценки каналов. При этом аэродинамическая характеристика каналов определяется рядом показателей, а именно, коэффициентом потерь коэффициентом расхода ц, вихревым числом и расходной характеристикой канала. Однако интегральные оценочные характеристики не дают возможности получить распределение параметров потока и, тем самым, определить конкретные пути улучшения каналов. Также до конца не изучена связь между результатами стационарного эксперимента с характеристиками потока в реальном двигателе [67].

Поэтому сочетание теоретических и экспериментальных методов является необходимым условием исследований. Использование только экспериментальных или только теоретических методов может привести к ошибочным выводам: в первом случае из-за ограниченности данных и недостаточных теоретических знаний о влиянии различных факторов на исследуемый процесс, а во втором — в результате применения модели течения газа, достоверность которой не подтверждена экспериментально [35].

Детальное описание газодинамических процессов в ДВС представляет собой пространственную нестационарную задачу. В настоящее время имеются принципиальные возможности решения такой задачи лишь численными методами на основе применения электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Ввиду того, что постановка задачи, получение и анализ результатов при численном моделировании методологически схожи с теми же операциями при постановке эксперимента, совокупность подготовки начальных данных, разработки метода решения и его алгоритма, создания компьютерного кода и процедур обработки результатов получила название вычислительного эксперимента [28,35,61].

В таблице 1 приведена сравнительная характеристика натурного и вычислительного экспериментов. Проведение численного эксперимента значительно дешевле и мобильнее, чем проведение аналогичного натурного эксперимента, и, кроме того, численные расчеты дают большую информацию об изучаемом явлении — значение каждого параметра в любой точке пространства. Все это в итоге позволяет наиболее совершенные нестационарные численные методы рассматривать как альтернативу газодинамическому эксперименту [61].

Для теоретического исследования газодинамических процессов в ДВС используют различные модели течения газа [35] (табл. 2): от стационарных одномерных течений газа до нестационарных многомерных течений вязкого (реагирующего) газа. Выбор соответствующей математической модели зависит от поставленных задач исследований (выбора рациональных конструктивных параметров или режима, установления структуры потоков газа, оценки влияния газодинамических процессов на показатели рабочего цикла), а также во многом определяется возможностями вычислительной техники.

Сравнительная характеристика натурного и вычислительного экспериментов.

Таблица 1.

Натурный эксперимент.

Вычислительный эксперимент.

1. Анализ и выбор схемы эксперимента, уточнение элементов установки, ее конструкции.

1. На основе анализа газодинамического объекта выбирается или создается математическая модель.

— Q С 03 ь 0 ш л 1 m 0 1 о О.

2. Разработка конструкторской документации, изготовление экспериментальной установки и ее отладка.

2. Для выбранной математической модели составляется разностная схема, исследуются вопросы устойчивости, создается программа для машинного счета.

3. Пробный замер параметров на установке в соответствии с программой эксперимента.

3. Пробный машинный счет в соответствии с программой вычислительного эксперимента.

4. Детальный анализ результатов эксперимента, уточнение конструкции установки, ее доводка, оценка степени достоверности и точности проведенных измерений.

4. Детальный анализ результатов расчетов для уточнения и корректировки алгоритма и программ счета, доводка программы.

5. Проведение чистовых эксперимен тов в соответствии с программой.

5. Окончательный машинный счет в соответствии с программой.

6. Обработка и анализ экспериментальных данных.

6. Анализ результатов машинного счета. со.

CQ ь а).

3″ >>

Ф О. С.

Наиболее достоверные данные о газодинамических процессах в ДВС.

Широкие возможности, большая информативность и доступность.

Позволяет получить распределение всех газодинамических параметров во всей счетной области и в каждой отдельно взятой ячейке.

Возможность качественно и коли чественно проследить эволюцию газодинамических процессов.

Сравнительная простота уточнения и расширения математической модели. s.

05 Vо.

0 ф 1.

Высокая стоимость эксперимента.

Сложность и трудоемкость исследований вследствие неравномерного распределения параметров потока в газовоздушном тракте ДВС и его нестационарного характера.

Получение количественных результатов возможно лишь в ограниченном числе точек.

Приборы, присутствующие в струе газа, могут оказывать негативное влияние на постановку эксперимента и на точность получаемых результатов.

Приближенное описание реального течения газа.

Значительные затраты машинного времени.

Жесткие требования к объему оперативной памяти и быстродействию ЭВМ.

Сложность разработки универсальных программ, применимых для изучения различных газодинамических процессов в рамках единого подхода.

Трудность или невозможность корректной постановки граничных условий некоторых типов.

Анализ работ [15, 23, 24, 25, 26, 31, 35, 36, 37, 61, 62, 76, 77, 81, 82, 83, 85, 86] позволяет сделать вывод, что для описания газодинамической обстановки в цилиндре используются в двухи трехмерные нестационарные модели. Течения же газов во впускном и выпускном трубопроводах чаще всего рассматриваются как нестационарные одномерные.

Математическое описание газодинамических процессов в ДВС.

Таблица 2 п/п Размерность математической модели Характеристика математической модели.

1 Трехмерная Позволяет определить детальную структуру течения в системе газообмена двигателя. При расчете значительных областей не может быть реализована на ЭВМ среднего быстродействия из-за практически неоправданных больших затрат машинного времени.

2 Двумерная Позволяет получить достоверные данные для осесимметрич-ных течений. Целесообразно использовать для расчетного исследования структуры потока газа в разветвлениях впускного или выпускного трубопроводовс помощью такой модели можно выявить зоны инерционного отрыва потока и установить соотношения расходов газа в разветвлениях.

3 Одномерная Широко применяют для расчета течений в прямолинейных или незначительно искривленных участках трубопроводов ДВС, для приближенных расчетов течений газа в трубопроводах с переменной площадью сечения. Позволяет получить качественную картину распространения возмущений в каналах двигателя.

4 Нульмерная (термодинамическая) Не учитывает изменение параметров газа в пространстве. Целесообразно использовать для упрощения процессов, протекающих в цилиндрах и полостях.

Поскольку характер течения в системе газообмена зависит от пространственного и временного распределения параметров газа в граничных сечениях, при разработке математических моделей течения • газа одной из важных задач является постановка граничных условий.

Проведенный анализ работ в области математического моделирования газодинамических процессов в ДВС позволяет выделить два подхода к постановке граничных условий:

1. Выполняется расчет течения газа в отдельных элементах (цилиндр, впускной и выпускной каналы, разветвления трубопроводов и т. п.) системы газообмена. В качестве граничных условий для этих элементов задаются параметры потока, полученные экспериментальным путем или из предварительных расчетов. Такие модели наиболее распространены [15, 24, 26, 31, 35, 36, 67, 76, 77, 81, 86] и позволяют достаточно подробно рассмотреть газодинамические процессы в отдельных элементах системы газообменаоднако проведенные исследования носят частный характер, ограничиваются имеющимися данными и не учитывают процесс функционирования двигателя.

2. Функционирование двигателя и протекание процессов газообмена исследуются совместно, с учетом их взаимного влияния, и граничные условия определяются непосредственно в ходе расчета. Этот подход является более предпочтительным, поскольку отвечает требованиям [43, 44] системного проектирования ДВС и позволяет рассмотреть процессы газообмена и функционирование двигателя во взаимосвязи при различных управляющих воздействиях. Существующие математические модели, представленные в работах [37, 23], рассматривают газодинамические процессы лишь в одномерной постановке, причем модель [23] описывает установившиеся режимы работы двигателя, не учитывая всего спектра динамических особенностей функционирования ДВС и его систем.

Второй способ задания граничных условий в полной мере может быть реализован за счет применения динамической модели ДВС [43, 44], которая является ядром набора взаимосвязанных моделей двигателя и его подсистем. Построенная на основе тепломеханики, динамическая модель обеспечивает возможность как выявления общих закономерностей, определяющих процесс функционирования системы ДВС «в целом», так и вычисления значений, интересующих исследователя характеристик, в нужный момент времени и в нужном положении системы.

В работах [39, 41, 73, 74] для исследования газодинамических процессов в ДВС используются коммерческие пакеты прикладных программ, позволяющие рассчитать и спроектировать систему газообмена двигателя. Наиболее известные из них: ANSYS, AVL FIRE [64], Flow Vision [1], GT-Power, STAR-CD, VECTIS CFD [75]. Несмотря на несомненные достоинства подобных программ, им присущи существенные недостатки:

1. Высокая стоимость (примерная цена составляет 30 тыс. $ в год, плюс затраты на обучение пользователя);

2. Привлечение значительного объема экспериментальной информации по конкретному двигателю;

3.Для мощных по своим возможностям программных пакетов характерны высокие требования к вычислительным ресурсам ЭВМ;

4. В ряде случаев возможности программных пакетов не позволяют в достаточной степени оптимизировать их для решения конкретной задачи [41].

Таким образом, широкое применение коммерческих пакетов прикладных программ ограничивается целым рядом трудностей финансового, вычислительного и эксплуатационного характера [41].

Несомненный интерес представляют работы [7, 73, 74] по определению характеристик (расхода газа, закрутки заряда) впускных каналов, создающих закрутку потока в цилиндре двигателя. Значения этих характеристик были получены для впускной системы в условиях стационарной продувки. Проведенные исследования не учитывают особенности течения газа в реальном двигателе (взаимодействие потока с днищем поршня, нестационарность течения газа, условия функционирования двигателя). Также отсутствуют данные по влиянию параметров, характеризующих качество впускного канала, на процесс сгорания для различных режимов работы двигателя.

Проведенный анализ работ показывает, что наиболее перспективным путем сокращения материальных и временных затрат при проектировании и доводке системы газообмена двигателя является численное моделирование процессов течения газа. Математические модели, используемые при этом, как правило, на достаточно высоком уровне, описывают течение газа в отдельных элементах системы газообмена, не учитывая в достаточной степени процесс функционирования двигателя в целом. Такое положение по-прежнему вызывает необходимость значительных по объему доводочных работ. Их сокращение возможно при комплексном подходе к моделированию ДВС как системы, включающей термодинамическую, механическую и газодинамическую подсистемы. В связи с этим, тема настоящей диссертации, решающей поставленную задачу, является актуальной.

В качестве математических моделей ДВС целесообразно использовать динамические модели [43, 44], рассматривающие процессы, происходящие в двигателе во времени, и отражающие его работу в условиях установившегося и переходного режимов.

Таким образом, сокращения материальных и временных затрат при проектировании системы газообмена можно добиться за счет разработки математических моделей, обеспечивающих комплексный учет •и исследование влияния газодинамических процессов на функционирование ДВС, которые позволят исследовать как особенности течения газа в отдельных элементах, так и влияние газодинамических явлений на показатели двигателя при различных режимах его работы. При этом необходимо обеспечить рациональное сочетание сложности математического описания с затратами машинного времени.

В соответствии с изложенным, целью диссертации является разработка математического, программного и методического обеспечения расчета функционирования ДВС, реализующего рациональное сочетание сложности описания термодинамической, механической и газодинамической подсистем и обеспечивающего сокращение материальных и временных затрат на проектирование и доводку двигателя.

Цель была реализована в результате постановки и решения следующих задач:

1. Разработки комплекса математических моделей нестационарного течения газа и программного обеспечения расчета процессов газообмена в двигателе.

2. Разработки алгоритмов стыковки модели ДВС и математических моделей течения газа в системе газообмена, а также оценки влияния конструктивных параметров впускной, выпускной систем на массовое наполнение и показатели работы двигателя.

3. Моделирования трехмерного нестационарного течения во впускном канале и цилиндре и определения показателей качества винтового впускного канала для различных режимов работы дизельного двигателя.

4. Разработки методики учета газодинамических процессов в моделях ДВС, базирующейся на статистической обработке результатов натурных и вычислительных экспериментов.

В качестве объекта исследования был выбран одноцилиндровый • малоразмерный дизельный двигатель ТМЗ-450Д производства ОАО АК «Туламашзавод» .

Предметом исследования являются газодинамические процессы, происходящие в цилиндре, впускном и выпускном канале.

При решении поставленных задач был применён теоретико-экспериментальный метод, построенный на использовании методов нестационарной газовой динамики, тепломеханики, статистического анализа и вычислительной математики.

Результаты решения поставленных задач представлены в настоящей диссертационной работе, которая состоит из введения, трёх глав и заключения.

3.6. Выводы.

Разработана методика учета газодинамических процессов в моделях ДВС, базирующаяся на статистической обработке результатов натурных и вычислительных экспериментов, а именно:

1. Разработаны основные принципы и этапы построения методики учета газодинамических процессов в моделях ДВС.

2. На основе экспериментальных данных определены показатели сгорания для различных условий функционирования двигателя ТМЗ-450Д.

3. Построены регрессионные зависимости, устанавливающие связь характеристик процесса сгорания с показателями качества винтового впускного канала и режимами работы дизельного двигателя.

4. Построена функциональная модель впускной системы двигателя, что позволило сократить затраты машинного времени на расчет процесса наполнения с 270 — 405 мин до 0.8 -1.2 мин (Intel Celeron 800 МГц).

5. Подтверждена адекватность разработанной методики, в результате средняя погрешность в определении мгновенных значений давления в цилиндре — 9%, погрешность в определении массы свежего заряда — 10−15%, эффективных показателей работы двигателя — 24% (для диапазона скоростных режимов п = 2400 — 3600 об/мин).

Заключение

.

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. Разработан на основе метода Годунова комплекс математических моделей и программное обеспечение расчета процессов газообмена в двигателе. Программы позволяют: а) производить газодинамические расчеты одно-, двухи трехмерных нестационарных течений сжимаемого невязкого газаб) учесть взаимодействие потока с движущимися поверхностями произвольной конфигурации (поршнем, клапаном) — в) осуществить объединение математических моделей течения газа с различным числом пространственных координат.

2. Разработаны алгоритмы стыковки динамической модели ДВС и математических моделей течения газа в системе газообмена. Предложенные алгоритмы реализуют системный подход к описанию двигателя и позволяют выполнить совместные исследования функционирования ДВС и системы газообмена в условиях установившегося и переходного режимов.

3. Предложена базирующаяся на работах проф. Гогричиани Г. В. методика представления системы газообмена двигателя в виде схемы замещения, состоящей из типовых модулей: трубопровод, поршень, постоянные и переменные местные сопротивления.

4. Проведено теоретическое исследование функционирования двигателя и системы газообмена. При этом: а) в одномерной и трехмерной постановке получена картина течения газа в отдельных элементах системы газообмена: впускном, выпускном канале, цилиндреб) установлено существенное влияние на массовое наполнение цилиндра и показатели работы двигателя протяженности впускного канала и фаз газораспределенияв) получены значения показателей (массы свежего заряда, закрутки потока), характеризующих качество винтового впускного канала для различных режимов работы двигателя.

5. Разработана методика, позволяющая выполнить учет газодинамических процессов в модели двигателя без значительных ее усложнений и временных затрат. При этом на примере двигателя ТМЗ-450Д: а) получены зависимости, устанавливающие связь характеристик процесса сгорания с режимами работы ДВС и показателями качества винтового впускного каналаб) построена функциональная модель впускной системы двигателя, что позволило сократить затраты машинного времени на расчет процесса наполнения с 270 — 405 мин до 0.8 -1.2 мин (Intel Celeron 800 МГц).

6. Подтверждена адекватность разработанных математических моделей реальному объекту — двигателю ТМЗ-450Д. В результате средняя погрешность в определении мгновенных значений давления в цилиндре — 9%, погрешность в определении массы свежего заряда — 10−15%, эффективных показателей работы двигателя — 2−4%.