Численное исследование влияния подачи воды на рабочий цикл двигателя

Введение

На кафедре двигателей внутреннего сгорания (ДВС) Уфимского государственного авиационного технического университета ведутся работы по созданию унифицированного рабочего процесса. Такой рабочий процесс объединяет лучшие качества двух типов поршневых двигателей: топливную экономичность дизеля, удельную мощность бензинового.

Унифицированный рабочий процесс основан на впрыске в камеру сгорания богатой топливовоздушной струи, и ее воспламенении свечой зажигания.

Из-за высокой степени сжатия ε=13,5, богатой топливовоздушной смеси и низкого октанового числа авиационного керосина особой сложностью рабочего процесса является обеспечение бездетонационного сгорания топлива на высоких мощностях двигателя. Детонация приводит к высоким температурным и ударным нагрузкам на элементы рабочей камеры и тем самым усиливает их износ. Впрыск воды позволяет решить эти проблемы за счет снижения температур в момент воспламенения топливовоздушной смеси. Для того, чтобы вода не влияла на ресурс двигателя необходимо, чтобы она практически вся была испарена к моменту попадания в рабочую камеру двигателя. С этой целью и было решено подавать воду на входе во впускной канал двигателя.

Впрыскиваемая во впускной коллектор вода обеспечит уменьшение детонационного порога по причине большой теплоёмкости воды, которая охладит рабочую смесь и разогретые детали двигателя.

В данной работе представлено численное исследование влияния подачи воды на рабочий цикл двигателя  с унифицированным рабочим процессом. Приводятся результаты численного исследования.

Численное исследование проводилось для экспериментального четырехтактного двигателя Yanmar L100N  с  топливной  аппаратурой  унифицированного  рабочего  процесса.

Моделирование проводилось с помощью пакета прикладных программ (ППП) Star-CD и программы Star-CCM+.

Постановка задачи

Целью работы является численное исследование возможности получения на режиме повышенной мощности таких температур в процессе сгорания, которые были бы близки к режиму с меньшей мощностью.

В данной работе численно исследуется  два варианта повышения мощности:

а) уменьшение коэффициент избытка воздуха с α=1,9 на α=1,76 при помощи обогащения топливовоздушной смеси;

б) увеличение давление наддува на входе в двигатель. Коэффициент избытка воздуха α при этом не меняется.

В работе рассчитывались 4 численных исследования, при n=1500 об/мин:

а) коэффициент избытка воздуха α=1.9, без подачи воды;

б) коэффициент избытка воздуха α=1.76, без подачи воды;

в) коэффициент избытка воздуха α=1.76, с подачей воды;

г) коэффициент избытка воздуха α=1.9,с подачей воды и увеличением давления наддува.

Построение трехмерной сеточной модели

ППП CD-Adapcо использует самые эффективные численные методики вычисления, обеспечивая высокую точность, необходимую для проведения расчетов на сложных неструктурированных сетках, и гарантируя высокую скорость, эффективность и надежность. Средства построения сеток дают возможность восстанавливать целостность поверхности, а также создавать сетку из многогранных ячеек. Набор инструментов, реализованный в
CD-Adapcо позволяет адаптировать сетку. Это помогает оптимизировать модели путем измельчения ячеек там, где это наиболее необходимо [4].

На рисунке 1 представлена трехмерная сеточная модель камеры сгорания с впускным, выпускным каналом и клапанами исследуемого двигателя.

Рисунок 1. Трехмерная сеточная модель

Физические модели

Моделирования процессов в камере сгорания  двигателя  с  унифицированным  рабочим процессом и подачей воды предполагает использование множество физических моделей.

В настоящий момент создано множество моделей  для  расчета  турбулентных  течений. Они отличаются друг от друга сложностью решения и точностью описания течения [4]. В данном исследовании используется модель k-ω, где ω – удельная скорость диссипации. Модель способна к расчету пристеночной турбулентности без введения специальных функций.

Выбор k-ω модели турбулентности сделан, прежде всего, на основе эффективности вычисления течения воздуха по искривленному каналу впускного порта двигателя. Подмодель SST обеспечивает правильное описание пристеночной турбулентности. А для быстрого решения выбрана модель с высоким числом Рейнольдса. Это означает, что очень мелкая сетка возле стены может быть пренебреженна [4].

Впрыск воды из распылителя – это течение двух сред, находящихся в разных агрегатных состояниях. Такое течение называют дисперсным многофазным течением. Оно содержит непрерывную фазу, которая является газообразной средой, и дисперсную фазу в форме жидких капель. На движение дисперсной фазы влияют межфазное взаимодействие, эффекты теплопереноса и массопереноса. Сила взаимодействия зависит от размера частиц, их плотности и их количества. Межфазный массоперенос вызывает изменение размеров дисперсных элементов. Изменение размера капель также может быть вызвано динамическими силами, приводящие к их распаду на более мелкие. Процессы столкновений капель могут также приводить к их слиянию.

Для моделирования выше указанных физических явлений в Star-CD служит Лагранжево-Эйлеровый подход, при котором уравнения сохранения массы, момента и энергии для дисперсной фазы записываются для каждой индивидуальной капли. Основные уравнения для переносящей фазы записаны в Эйлеровой форме и дополнены, чтобы учесть наличие дисперсной фазы [4].

Выбор модели горения ECFM-3Z был основан на том, что она способна моделировать сложные механизмы турбулентного перемешивания, распространения пламени, диффузионного сгорания и выброса загрязняющих веществ. Она также может быть использована для анализа в цилиндрах в среде с несколькими впрысками и для многоциклового моделирования [4].

Для описания дробления капель воды использовалась модель Pilch and Erdman. Так как при моделировании вторичного распада капель модель учитывает все виды дробления [3].

Дробление наблюдается если число Вебера We для капли больше критического числа Вебера We_c.

Различают пять видов дробления капель:

а) вибрационное дробление;

б) дробление сумки;

в) дробление сумки и тычинки;

г) срыв упаковки;

д) катастрофический распад.

Капли топлива могут становиться нестабильными под действием межфазных сил, вызванных их движением относительно непрерывной фазы. Для описания этого процесса используется модель дробления капель Reitz and Diwakar, используемая для первичного дробления капель и вторичного в газовом потоке [1].

Для описания взаимодействия капель со стенкой используется модель Bai. Она определяет некое количество капель после столкновения. Это позволяет вторичным каплям, возникающим в результате всплеска первичных капель, иметь распределение по размерам и скоростям [4].

Модель различает сухую и влажную стенку. Модель распознает следующие режимы взаимодействия:

а) прилипание – ударяющаяся капля прилипает к стене в почти сферической форме;

б) распространение – капля распространяется по поверхности стены, образуя пленку (в случае сухой стенки), или сливается с существующей пленкой на влажной поверхности;

в) отскок – ударяющаяся капля отскакивает от стены после удара;

г) разбрызгивание – падающая капля распадается на более мелкие капли, некоторые из них отскакивают от стены;

д) распад – падающая капля распадается на более мелкие капли.

Подбор конфигурации распылителя воды

Для того, что бы подача воды не влияло на ресурс двигателя необходимо, чтобы практически вся вода была испарена к моменту попадания в камеру сгорания. С этой целью было проведено численное исследование влияния расположения, количества и направления струй на долю испаренной воды до рабочей камеры двигателя.

Моделирование проводится без подвижной сетки в программе
STAR-CCM+. Для этого клапан открывался на 4,6 мм, что соответствует среднему интегральному значению хода клапана. Давление на впуске 101325 Па, на выпуске 100325 Па. Такая разность давления обеспечивает расход воздуха аналогичный штатной работе двигателя на частоте вращения коленчатого вала 1500 мин^-1.

Разработано три варианта конфигурации распылителя воды, с разным количеством и направлением сопел.

а) конфигурация с одной струёй,  располагаемая в середине впускного канала (вариант №1). Струя направлена вдоль канала;

б) конфигурация с двумя соплами, где расстояние меду центрами сопел 32 мм (вариант №2). Струи направлены друг к другу под углом 20°;

в) конфигурация с двумя соплами, где расстояние меду центрами сопел 2 мм (вариант №3). Струи направлены друг от друга под углом 6°.

На рисунке 2 представлены три варианта конфигурации распылителя.

а) вариант №1

б) вариант №2

в) вариант №3

Рисунок 2. Три варианта конфигурации распылителя

Математическая модель,  разработанная на кафедре, применена как способ определения граничных условий на срезе сопла распылителя [2]. С целью повышения точности расчетов, граничные условия на срезе сопла корректировались с учетом экспериментальных данных полученных при использовании метода IPI и PIV.

IPI – интерферометрический метод измерения диаметров капель.

PIV – метод визуализации двумерных векторных полей скоростей потоков жидкости.

Подается 15 % воды по отношению к массе топлива. Расход жидкости 70 мг/с. Температура жидкости 350 К. скорость на срезе сопла 197 м/с. Средний Заутеровский диаметр капель d₃₂=45 мкм вычисляют по формуле

где k – обмеренное число капель, имеющих диаметр d.

В ходе численного исследования было выявлено, что из-за петлеобразной формы впускного канала впрыскиваемая вода почти вся осаживается в пленку, в соответствии с рисунком 3.

а) вариант №1

б) вариант №2

в) вариант №3

Рисунок 3. Образование жидкой пленки

В таблице 1 показано, что не зависимо от количества и направления струй массовая доля паров воды почти не меняется.

Таблица 1.

Массовая доля паров воды возле впускного клапана

Таким образом, наилучшим вариантом с точки зрения величины массовой доли испаренной воды до впускного клапана и простоты реализации является односопловой распылитель, расположенный по центру поперечного сечения впускного трубопровода.

Моделирование влияния подачи воды на рабочий цикл двигателя

В таблице 2 представлены параметры моделирования рабочего процесса с впрыском воды для двух вариантов повышения мощности

Таблица 2.

Параметры моделирования рабочего процесса с впрыском воды

На стенки рабочей области были заданы фиксированные температуры, полученные в ходе испытаний экспериментального двигателя. 

Параметры экспериментального двигателя представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Параметры экспериментального двигателя

Результаты и обсуждение

Расчет показал, что при переходе с коэффициента избытка воздуха α=1,9 на α=1,76 индикаторная мощность увеличивается на 11 % (Таблица 4). При этом температуры в период сгорания тоже увеличились (Рисунок 4). К моменту открытия выпускного клапана температура ОГ возросла на 42 °С, а максимальная температура цикла на 46 °С. Рост температуры в камере сгорания увеличивает вероятность возникновения детонационного сгорания и повышает тепловую нагрузку.

На тактах впуска и сжатия впрыск 15% воды от массы топлива, снизил температуру в цилиндре по сравнению с вариантом без впрыска воды
(Рисунок 4). К моменту закрытия впускного клапана температура газа в цилиндре снизилась примерно на 10 °С, а к концу сжатия – на 22 °С.

Максимальная температура цикла при впрыске воды снизилась на 14 °С по сравнению с α=1,76. Но это значение выше, на 32 °С, по сравнению с α=1,9.

В расчете с повышение мощности за счет увеличения давления наддува, температура рабочего тела в период сгорания в данном случае является самой низкой. Например, максимальная температура цикла снизилась на 32 °С, средняя интегральная температура– на 14°С, по сравнению с α = 1,9 без впрыска воды (Рисунок 4). Такое снижение температуры уменьшит тепловую нагрузку на элементы рабочей камеры двигателя и вероятность возникновения детонации по сравнению с режимом α = 1,9 (без подачи воды).

Таблица 4.

Результаты исследования

Рисунок 4. Графики температуры в камере сгорания