Обзор математических моделей рабочих процессов газового двигателя и известные результаты их использования



Известные модели смесеобразования и сгорания чрезвычайно разнообразны. Существенные различия взглядов авторов касаются, в частности, характера течения в топливной струе, распределения масс топлива в ее объеме, наличия в струе характерных зон, учета относительного движения частиц топлива и спутного газа в струе, способов описания горения топлива и образование его токсичных продуктов. Большинство использующихся в отечественной практике моделей интегрально описывают поведение рабочего тела в цилиндре. Очевидно, что такие модели не в состоянии помочь выполнить согласованный выбор параметров газового оборудования и КС, а также получить адекватную картину образования токсичных продуктов сгорания.

Ключевые слова: камера сгорания, газовый двигатель, программный комплекс, отработавшие газы, моделирование, математическая модель, кинетический расчет, расчет образования, токсичные компоненты

В ЦНИДИ на протяжении многих лет велась разработка программного комплекса для численного моделирования рабочих процессов с различными системами воздухоснабжения и газотурбинного наддува, в состав которого входят программы ИМПУЛЬС и ВОЛНА [1], основанные на методике Б. М. Гончара [2]. В программе ИМПУЛЬС реализован расчет нестационарных процессов в выпускной системе на основе квазистатических уравнений и обеспечено замкнутое моделирование с автоматической балансировкой мощностей компрессора и турбины. В программе ВОЛНА, в отличие от программы ИМПУЛЬС реализовано моделирование рабочего процесса с учетом волновых явлений в произвольных разветвленных выпускных системах на основе использования уравнений одномерной нестационарной газодинамики для потока газа. В дальнейшем программный комплекс был дополнен программой FAKEL, позволяющей моделировать динамику развития топливного факела и распределения топлива в объеме камеры сгорания (КС), а также программой EXAUST для моделирования неравновесной кинетики образования NOx при сгорании различных топлив в газовом двигателе (ГД). Следует отметить, что в данном программном комплексе отсутствует процедура многопараметрической оптимизации конструктивных и регулировочных параметров двигателя.

В большинстве расчетных исследований в качестве оценочного параметра и параметра оптимизации использовался удельный индикаторный или эффективный расход топлива, что связано с отсутствием в используемом программном обеспечении моделей процессов образования токсичных компонентов отработавших газов (ОГ).

Одной из наиболее достоверных и апробированных методик по моделированию процессы смесеобразования и сгорания в двигателе является методика, предложенная в начале 90-ых годов профессором Н. Ф. Разлейцевым и в дальнейшем доработанная к. т.н., сотрудником кафедры Э-2(«Поршневые ДВС») МГТУ им. Н. Э. Баумана — А. С. Кулешовым [3]. Эта методика, реализованная А. С. Кулешовым в программе ДИЗЕЛЬ-4т, а затеем в несколько модернизированном виде в программе ДИЗЕЛЬ-РК (РК-модель), учитывает:

‒ особенности характеристики впрыска, включая многофазный впрыск,

‒ мелкость распыливания топлива,

‒ ориентацию струй в камере сгорания,

‒ динамику развития топливных струй,

‒ взаимодействие струй с воздушным вихрем и стенками.

По своей идеологии, РК-модель близка к модели профессора Хироясу (Hiroyasu) из университета города Хиросимы, хотя имеет существенные отличия, главным образом связанные с более детальным рассмотрением взаимодействия топливных струй со стенками и между собой.

Программа ДИЗЕЛЬ-РК, в отличие от многих других, позволяет помимо расчетов показателей ГД решать также оптимизационные задачи, для чего имеется встроенная процедура многопараметрической оптимизации, включающая 14 методов оптимального поиска, а также процедуры одно- и двухпараметрического сканирования.

В математической модели газообмена весь газовоздушный тракт комбинированного двигателя, состоящий из впускного коллектора, впускных клапанных каналов, цилиндра, выпускных клапанных каналов, выпускного коллектора и преобразователя импульсов условно разбит на отдельные фрагменты, обменивающиеся между собой массой и энергией. Для каждого из фрагментов решается система уравнений сохранения массы, энергии, количества движения и уравнение состояния со своими, характерными для данного фрагмента допущениями. В каждом фрагменте, кроме преобразователя импульсов также учитывается теплообмен со стенками.

В программе ДИЗЕЛЬ-РК реализована современная методика расчета эмиссии оксидов азота на основе схемы Зельдовича, особенностями которой являются:

‒ расчет равновесного состава в зоне продуктов сгорания для восемнадцати компонентов на каждом шаге расчета [4];

‒ кинетический расчет образования термических оксидов азота по цепному механизму Я. Б. Зельдовича [5];

‒ расчет образования NO по уравнению цепного механизма производится для зоны сгорания, затем определяется средняя концентрация NO по КС.

Расчет эмиссии дыма в программе ДИЗЕЛЬ-РК осуществляется по методике профессора Н. Ф. Разлейцева [6], в которой сделана попытка учесть влияние особенности процесса горения распыленного топлива на образование и выгорание сажевых частиц. Принято, что сажевые частицы образуются преимущественно двумя путями:

‒ в результате цепного деструктивного превращения молекул топлива, диффундирующих от поверхности капель к фронту пламени;

‒ вследствие высокотемпературной термической полимеризации и дегидрогенизации парожидкостного ядра испаряющихся капель.

После многократных доработок программы ДИЗЕЛЬ-РК были проведены расчетные исследования различных дизелей на их математических моделях и показана возможность оптимизации их параметров по выбросам NOx, сажи и топливной экономичности [3]. В ходе этих расчетных исследований безнаддувного дизеля Д-120 с использованием программы ДИЗЕЛЬ-РК было, в частности, установлено, что резервом для улучшения показателей двигателя является изменение степени сжатия ɛ и УОВТ-φ_опер. На рисунке 1 представлены, полученные методом сканирования, семейства изолиний для постоянных значений: уровня эмиссии оксидов азота NOx (г/м³), максимального давления цикла p_z (бар), удельного эффективного расхода топлива b_e, (г/кВт·ч).

Рис. 1. Влияние степени сжатия ɛ и УОВТ φ_опер на параметры дизеля

Подведем итог, сокращение времени, затрачиваемого на разработку новых моделей двигателей, и снижение финансовых затрат на доводочные экспериментальные исследования делает необходимым использование программных продуктов, достоверно моделирующих рабочие процессы в ГД, в том числе и образование токсичных веществ. Данные программы также должны иметь встроенную процедуру многопараметрической оптимизации. В связи с этим хотелось бы отметить, что для получения достоверных результатов расчетных исследования ГД с системой РОГ при разработке математической модели рабочих процессов необходимо учесть влияние РОГ и элементов системы РОГ (клапаны, теплообменник РГ, трубопроводы и т. д.) на газодинамические процессы во впускной и выпускной системах ГД, работу ТКР, состав поступающего в цилиндры заряда, образование различных токсичных веществ, а также правильно определять параметры газа в сопле Вентури и количество эжектируемых с его помощью РГ. Данные требования были учтены и реализованы А. С. Кулешовым в новой версии программы ДИЗЕЛЬ-РК.

Литература:

1. Красовский О. Г., Берман А. А., Матвеев В. В. Применение программ численного моделирования рабочего процесса дизелей // Труды ЦНИДИ «ЭВМ в исследовании и проектировании двигателей внутреннего сгорания». — Л.: ЦНИДИ, 1986. — С. 100–111.
2. Гончар Б. М. Применение ЭВМ в дизелестроении // Труды ЦНИДИ «Дизелестроение». — Л.: Машиностроение, 1974. — С. 187–192.
3. Кулешов А. С., Грехов Л. В. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация топливоподачи и рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. — 64 с.
4. Хрящёв Ю. В., Блаженнов Е. И. Электронное управление работой автомобильных двигателей: Учеб. пособие. — Ярославль: ЯПИ, 1990. — 92 с.
5. Дизели. Справочник / Байков Б. П., Ваншейдт В. А., Воронов И. П. и др. Под ред. Ваншейдта В. А., Иванченко Н. Н., Коллерова Л. К. — Л.: Машиностроение, 1977. — 480 с.
6. Звонов В. А. Образование загрязнений в процессах сгорания. — Луганск: Изд-во Восточноукраинского государственного университета, 1998. — 126 с.