symulacja procesu

Joumal of Kones. Combustion Engines, VoIB, No 3-4, 2001
METODA OGRANICZENIA STRATY WYLOTOWEJ
W DWUSUWOWYCH SILNIKACH ZI
Stanislaw Jarnuszkiewicz
Wojciech Marek
Wladyslaw Mitianiec
Politechnika Krakowska
31-155 Krakow, ul. Warszawska 24
[email protected]
Abstract W publikacji przedstawiono wyniki prac syrnulacyjnych i stanowiskowych uzyskanych w
trakcie badan pneumatycznego wtrysku paliwaza pomoca goracych spalin wg koncepcji prof St.
Jarnuszkiewicza, ze zmodyfikowanym systemem organizacji ruchu gazow w cylindrze. Obliczenia
przeprowadzono przy uzyciu metody element6w skonczonych dla modelu przestrzennego z
zachowaniem rzeczywistych wymiar6w zmodyfikowanego cylindra siInika dwusuwowego typ
155. Do obliczen zostal uzytyprogram CFDPhoenics wersja 1.5.
Wprowadzenie
Konwencjonalny system przeplukiwania cylindra silnikow dwusuwowych ZI przy
zasilaniu gainikowym, wywoluje nieunikniona strate wylotowa ladunku (paliwa)
dochodzaca do 30%. Zmiana systemu zasilania na wtrysk pneumatyczny bezposrednio do
cylindra po zamknieciu organow rozrzadu eliminuje te wade, Rozwiazania proponowane
przez firmy ORBITAL, IFP, AVL charakteryzuja sie znacznym skomplikowaniem
konstrukcji i systemu sterowania. Prezentowany system spalania charakteryzuje sie
prostota konstrukcji, a wyposazony wen silnik cechuje znaczace zmniejszenie stl\l:i:en
glownie nie spalonych weglowodorow i tlenku wegla (w stosunku do wersji gainikowej)
do poziomu porownywalnego z odpowiadajacymi wielkoscia silnikami czterosuwowymi
zasilanymi wtryskowo. Zmodyfikowane i dostosowane do potrzeb analizy zostaly
procedury uwzgledniajace geometrie obiektu oraz procesy termodynamiczne dostarczone
przez producenta oprogramowania .
Symulacja procesu wtrysku mieszaniny paliwowo-spalinowejdo cylindra
silnika dwusuwowego
Celem analizy numerycznej procesu wtrysku mieszaniny paliwa lekkiego i gazow
spalinowych przygotowanych poza przestrzenia robocza bylo okreslenie rozkladu fazy
cieklej i gazowej paliwa wewnatrz cylindra. Przestrzen cylindra zostala rozgraniczona
przegroda poprzeczna do osi na dwie objetosci: poruszajacego sie tloka i komore spalania.
Otwory w przegrodzie stalej umozliwialy ruch ladunku do i 'z komory spalania.
Uksztaltowanie przegrody oraz usytuowanie otworu wlotowego mieszaniny w cylindrze
zostalo ustalone na podstawie wstepnych wynikow badan doswiadczalnych i rna
decydujacy wplyw na ruch calego ladunku paliwowo-gazowego w cylindrze. Analiza
dostarczyc miala informacji 0 wektorach predkosci, cisnieniu, temperaturze, pozostalosci
reszty spalin, a przede wszystkim 0 wsp61czynniku nadmiaru powietrza w komorze
spalania.
60
Metoda obliczen
Obliczenia przeprowadzono przy uzyciu metody element6w skonczonych dla
modelu przestrzennego z zachowaniem rzeczywistych wymiar6w zmodyfikowanego
cylindra silnika dwusuwowego typ 155. Do obliczen zostal uzyty program CFO Phoenics
wersja 1.5 (kompilowana) londyilskiej firmy CHAM. Zmodyfikowane i dostosowane do
potrzeb analizy zostaly procedury uwzgledniajace geometrie obiektu oraz procesy
termodynamiczne dostarczone przez producenta oprogramowania .
Geometria obiektu badan
Rozpatrywano proces fizyczny wlotu mieszaniny paliwowo-spalinowej w cylindrze
silnika 155 0 nastepujacych danych geometrycznych:
wysokosc komory spalania
h = 20 mm
kilt otwarcia okna wylotowego
a..w = 77 deg przed OMP
kilt otwarcia okna przelotowego
a..p = 57 deg przed OMP
szerokosc okna wylotowego
bw = 32 mm
wysokosc okna wylotowego
hw = 15 mm
szerokosc okna przelotowego
b, = 22 mm
wysokosc okna przelotowego
bw = 10 mm
Pozostale wymiary geometryczne pokazano na Rys.l.
Rys.l. Wymiary geometryczne cylindra silnika 155
Siatka przestrzenna obliczeD
Budowe modelu oraz generacje siatki przeprowadzono przy uzyciu preprocesora
Phoenics. Caly cylinder podzielono na 24 niejednakowe warstwy wzdluz osi cylindra oraz
po 12 warstw w kierunku osi x i y. Ze wzgledu na geometrie cylindra uzyto siatki
krzywoliniowej (BFC) co zmusza do dodatkowego przeliczania parametr6w wzdhiz
krzywoliniowego ukladu wspolrzednych dla danej kom6rki obliczeniowej. Ogolna ilose
komorek wynosila 3456 (12 x 12 x 24).
61
Ze wzgledow zachowania stabilnosci obliczen nie mozna bylo zamodelowac
bardzo malego otworu wlotowego mieszaniny (4) 3 mm). W modelu zastapiono go
otworem kwadratowym 0 wymiarach 2 x 2 mm. Plyt~ glowicowa oddzielajaca komore
spalania z cylindrem zamodelowano w postaci nieprzepuszczalnego bloku z otworami
przepuszczajacymi ladunek.
Zamodelowano jedynie 4 otwory, przy czym wiekszy otwor umieszczono od strony otworu
wlotowego mieszaniny. Stan too zostal pokazany na Rys.2.
_•.
........
••11I
•.87
8.14
1.21
••29
•• 36
•.43
••58
m ::~
....
I
••79
••93
1.11I
fiX
CYL.lmO SILlfIKA DUlJSlM)WIQD IFC
Z
Rys.L Zamodelowanie otworaw w plycie glowicowej
Warunki poczatkowe i brzegowe
Proces wlotu mieszaniny spalinowo-powietrznej rozpoczyna sj~ z chwila wyrownania
cisnien w przewodzie dolotowym i cylindrze. Na podstawie wynikow badan
stanowiskowych ustalono, ze wyrownanie cisnienia nastepuje okolo 30° OWK po otwarciu
okna wylotowego, chociaz otwor wlotowy spalin i paliwa jest wczesniej odsloniety przez
tlok. Cisnienie w cylindrze w chwili otwarcia okna wylotowego wynosilo 3.32 bar. Na tej
podstawie zalozono parametry poczatkowe cisnien i temperatury w cylindrze i przewodzie.
Zalozono rownomiernosc parametrow fizycznych ladunku wewnatrz cylindra w chwili
poczatkowej procesu symulacji. Proces symulacji rozpoczeto z chwila otwarcia okna
wylotowego.
cisnienie w cylindrze w chwili otwarcia okna wylotowego
- 3.32 bar
temperatura poczatkowa ladunku w cylindrze
- 1250 K
przeciwcisnienie na wylocie
- I bar
poczatkowe cisnienie w chwili otwarcia okna przelotowego
-1.4bar
temperatura powietrza przeplukujacego
-300K
predkosc powietrza przeplukujacego (zmienna)
- 10 + 60 m/s
cisnienie poczatkowe w przewodzie
- 2.5 bar
temperatura spalin i paliwa
- 800K
predkosc obrotowa silnika
- 2400 obr/min
62
Cisnienie w przewodzie zmienialo sit; od 2.5 bar do 1 bar. Zmiennosc cisnienia powietrza
przeplukujacego cylinder zostala okreslona na podstawie symulacji pelnego obiegu silnika
opartego na modelu zero- i l-wymiarowym.
W procesie symulacji zalozono, ze spaliny i powietrze sa gazami doskonalymi, a
cisnienie odniesienia wynosilo I bar. Zalozono, ze wtrysniete do przewodu paliwo jest w
formie cieklej i traktowane jest jako plyn niescisliwy,
gt;stosc paliwa
-735 kg/nr'
wsp61czynnik przewodzenia ciepla paliwa
- 0,13 W/(m K)
cieplo parowania
- 350 kJ/kg
poczatkowa srednica kropel
- 50 11m
Przewod wlotowy spalin zostal pominiety, natomiast w otworze wlotowym zalozono
parametry ladunku j.w. Zaslepienie otworu zostalo zasymulowane przez warstwe
nieprzepuszczalna 0 polowie jego wysokosci (od dolu otworu). W ten sposob paliwo
zostalo skierowane do gory w strone glowicy.
Modelowanie procesu wtrysku mieszanki spalinowo-paliwowej zostalo dokonane
przy uzyciu 2-fazowego modelu przeplywu IPSA (Interphase Simple Algorythm) w
programie Phoenics z uwzglednieniem parowania paliwa, oporami przeplywu kropel
paliwa, wymiana ciepla, tarciem ladunku 0 scianki cylindra.
Prezentacja wynikow obliczeD
Ponizej pokazano wybrane istotne rezultaty procesu symulacji przy predkosci
obrotowej 2400 obr/min tworzenia mieszaniny powietrza, pozostalosci spalin oraz
wtrysnietego ladunku spalin i paliwa w cylindrze silnika dwusuwowego. Wersja 1
(oznaczenieWl) dotyczy usytuowania otworu wlotowo - wtryskowego w gladzi cylindra
po stronie okna wylotowego, a wersja 2 (oznaczenieW2) po stronie przeciwleglej.
Koncentracja objetosciowa poszczegolnych skladnikow Iadunku zawiera sit; w granicach
0- 1.0.
...-•-
·..
I
"
'.t4
'.Zl
•. n
'.M
'.41
•.w
fe.a
~ :::
I ..•..•
'.M
'.M
',., .
Rys.3. Koncentracja powietrza w
cylindrze przy polozeniu tloka 80 deg
poDMP(Wi)
-
-•--
,....
.......
' . •1
'.1.4
I.IIZI
I··...
".M2
1::..........:
1...,.I.M'lI
..~
Rys.4. Koncentracja objetosciowa paliwa
w poblizu scianki cylindra przy polozeniu
tloka w DMP (Wl)
63
..•
-
......
1····....
'.'12
-
·...-...I,:.......:-:
....
1••••
'.81"
'.liS
::::..........
%'.821
OJ. • •. . ,
~
,.,.1.-
~
......•
......
•..u
I...........
~
I .......
",
,
,f'
,Ii'
Rys.5. Koncentracja objetosciowa cieklego
paliwa przy polozeniu tloka 15 deg przed
DMP(WI)
..... - ......•....
Rys.6. Koncentracja objetosciowa cieklego
paliwa przy polozeniu tloka w DMP (WI)
.•....
43 - . MlM:
..-.........,
...-.......,
.
;::.::::
. .,
I .........,
.....
··..............,
.....
1...
I . •"
•.813
'.1l3
.
.....,
.....r
.,.,e."'"
::::
~
...
.....
,
"I"'.1174
,
I .•
'.n"
' . •1
r
",
Rys. 7. Koncentracja objetosciowa paliwa
przy polozeniu tloka 43deg po DMP (W2)
..,
.•......
·-.
I....
.......
.........,
'."'1
'.'14
:-:1.~f '.1IS!i
;,.''''61
i··...
I··....
........
,
en.......
SllIUM _
DC
,f'
Rys.9. Koncentracja objetosciowa paliwa
przy polozeniu tloka w DMP (W2)
64
Rys.8. Koncentracja objetosciowa paliwa
przy polozeniu tloka 43deg pa DMP (W2)
..,
.•....
.....
··...........,..,.....
.....
1
I:::
I··..............
•.'t4
'.'41
:?......
,
1"e
Rys.IO. Koncentracja objetosciowa paliwa
przy polozeniu tloka w DMP (W2)
- ...,.•....-
.•....
. ... -
-
•.
.....
.....
.....
.....
.......,
,
•.•a
•••11
,
....-1··....
;:;: ••IIU
i··&1
_"
C:IL~
eIL._ 8lUlla . . . . . . . . . DC
Rys. J1. Koncentracja objetosciowa gazow
spalinowych wtryskowej dawki spalin w
DMP(W2)
Pr6bka
W3
03
HC
,...g/em
,.
28
20,0
15,0
Pr6bka
co
W3
03
03
47
"
co
"
86
66
CO~
2
10,0
o
',0
W4
04
:-:y'.~:
,•
2S,0
Pr6bka
2.C1" .... : I
•
30,0
0,0
III.:
we
Rys. J2. Wekiory predkosci przy polozeniu
tloka 43deg po DMP (W2)
co,
He Ilglcm I
SIUUM ............
w,
w,
0'
0'
HC
Pr6bka
CO
15
W4
04
02
34
,. . lem
27
"
CO2
"
74
64
CO. C02
He 1l1lllcm3
30,0
25,0
20.0
15,0
10,0
',0
0,0
w,
w,
0'
0'
Rys. J3. Stetenia sldadnikow spalin w zaleznosci ad typu komory spalania
w - komora dzielona, 0 - otwarta
65
W oparciu 0 analize powyi:szych wnioskow wykonano stosowne modyfikacje w
obrebie komory spalania silnika. Na tym etapie badan wykorzystano rowniez
doswiadczenia plynace z wczesniejszych prac autorow nad praktyczna realizacja
uwarstwienia Iadunku w dzielonych komorach spalania. Komora zostala wykonana w
formie walca ze zwienczeniem w postaci czaszy 0 lukowatym sklepieniu, polaczonej z
komora glowna ukosnym otworem wykonanym w wymiennej wkladce. Swieca zaplonowa
zostala umieszczona stycznie do obwodu komory. W trakcie badan zmieniono polozenie
swiecy i otworu wlotowego, dzieki mozliwosci wzajemnego ich przesuwania. Wtrysk
nastepuje tylko do jednego otworu. Nastepnie wtlaczane jest czyste powietrze, ktore ulega
zawirowaniu. Swieca zaplonowa jest umieszczona nad przestrzenia zawierajaca bogata
mieszanke. Podczas badan byly zmieniane uksztahowania otworow dolotowych. W
rezultacie tych badan oszacowano zdolnosc przechwytywania mieszaniny spalinowopaliwowej w dzielonej komorze spalania. D1a zobrazowania uzyskanego efektu,
por6wnano stezenia nie spalonych weglowodorow w spalinach silnika badawczego z
pneumatycznym wtryskiem paliwa dla systemu spalania z otwarta czaszowa komora
spalania. Badania przeprowadzono przy zastosowaniu jako paliwa toluenu. W trakcie badan
silnik spalinowy napedzany byl, a nastepnie stopniowo obciazany maszyna elektryczna
stacjonamego stanowiska hamownianego. W pierwszym etapie pomiarow badania
koncentrowaly sie na uzyskaniu stabilnej pracy silnika przy przechodzeniu od trybu
rozruchowego do generatorowego. Rys. 13 .
Wnioski
Wynikiem przeprowadzonej symulacji za pomoca modelu IPSA (2-fazowego
przeplywu) bylo okreslenie parametr6w ladunku w cylindrze w okresie miedzy poczatkiem
wylotu spalin (77 deg przed DMP) do ukladu wylotowego a poczatkiem zaplonu (27 deg
przed GMP) przy udziale wtrysku mieszaniny paliwo-spalinowej przygotowanej w
przewodzie doprowadzajacym do cylindra.
Stwierdzono, co nastepuje:
1. Plyniecie strugi paliwa po sciance w strone glowicy i przedostawanie sie paliwa oraz
spalin przez otwory we wkladce,
2. Dui:y stopien odparowania paliwa cieklego w obrebie cylindra (maty udzial fazy
cieklej R2).
3. Odpowiednio duzy wspolczynnik nadmiaru powietrza w komorze spalania oddzielonej
od cylindra wkladka z otworami.
4. W wersji (WI) istnieje duza strata wlotowa mieszanki paliwowo-spalinowej - ucieczka
paliwa do ukladu wylotowego w poczatkowei fazie wtrysku. Po modyfikacji (wersja
W2) i umieszczeniu przewodu wlotowego spalin i paliwa po przeciwnej stronie okna
wylotowego uzyskano korzystniejszy rozklad koncentracji paliwa w cylindrze i
komorze spalania.
5. Istniala trudnosc zasymulowania zawirowania powietrza przez odpowiednia siatke
obiektu.
6. Istnieje znaczne uwarstwienie ladunku ( nierownomiemosc wspolczynnika nadmiaru
powietrza w komorze spalania) wynikajaca z usytuowania otwor6w.
Literatura
Sprawozdanie z prac wykonanych w ramach tematu 9 T12D 03714
finansowanego przez KBN.
66