article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(88)/2012
Stanisław W. Kruczyński1, Janusz Januła2, Maciej Kintop3
PORÓWNAWCZE OBLICZENIA SYMULACYJNE WYBRANYCH
PARAMETRÓW PROCESU WTRYSKU PALIWA ON i OR W PROGRAMIE
AVL FIRE
1. Wstęp
Jednym z największych problemów współczesności oprócz daleko posuniętej
dewastacji środowiska naturalnego jest wyczerpywanie bogactw naturalnych w tym
surowców energetycznych do których należą paliwa. Gwałtowny wzrost konsumpcji
energii spowodowany jest przez dwa główne czynniki: rewolucję naukowo techniczną,
której wyznacznikiem jest np. lawinowy rozwój motoryzacji, jak również gwałtowny
wzrost liczby ludności. Nasza cywilizacja w ciągu ostatniego stulecia zużyła ok. 2/3
całkowitej energii pierwotnej której źródła są ograniczone i wyczerpywalne. Najbardziej
racjonalnym rozwiązaniem tego problemu jest w zapewnienie w latach przyszłych
daleko idącej intensyfikacji działań zapewniających zrównoważony rozwój
odnawialnych źródeł energii w tym paliw odnawialnych. Takie postępowanie jest
uzasadnione z tego względu, iż cechą charakterystyczną odnawialnych paliw jest fakt, że
ich zasoby w zasadzie nie zmniejszają się w wyniku wykorzystania ich przez człowieka.
Do paliw tych należą również oleje roślinne [2, 4].
Proces wtrysku paliwa do komory spalania silnika o zapłonie samoczynnym ma
zasadniczy wpływ na osiągi i emisję silnika. W dobie coraz intensywniejszych
poszukiwań paliw alternatywnych analiza parametrów wtrysku tych paliw i porównanie
ich do parametrów wtrysku konwencjonalnego oleju napędowego pozwala na
optymalizację procesu wtrysku pod kątem osiągnięcia maksymalnej sprawności cieplnej
silnika oraz ograniczenia jego emisji [3, 5]. Program komputerowy FIRE firmy AVL
umożliwia przeprowadzenie symulacji procesu wtrysku zadanych paliw co bardzo
znacząco ogranicza nakłady związane z badaniami silnika oraz w sposób bardzo
przejrzysty ilustruje zjawiska zachodzące w komorze spalania.
Symulacja procesu wtrysku opiera się na modelu przepływu wielofazowego i
wymaga numerycznego rozwiązania równań zachowania masy i pędu dla fazy gazowej i
ciekłej jednocześnie. Polega ona na rozwiązaniu równań różniczkowych m.in. pędu,
ruchu, czy transferu masy dla pojedynczych kropel, zgrupowanych w pakiety (ang.:
parcel). które stanowią zbiory identycznych, nie oddziałujących między sobą kropel o
takich samych wartościach wielkości fizycznych je opisujących. Jeden element pakietu
reprezentuje stan wszystkich w nim zawartych. Pakiety kropel wprowadzane są do
przepływu z warunkami początkowymi, tj. położeniem, rozmiarem, prędkością i liczbą
cząsteczek w pakiecie. Program AVL FIRE obsługuje wprowadzanie kropel
powstających w dyszy jako „spray” i wchodzących do przepływu jako mieszanina
gazów i cieczy. Rozmiary kropel determinowane są różnymi rozkładami, np. rozkładem
Gaussa. Proces rozpylenia strugi paliwa jest obliczany w odrębnych pod modelach.
Wymiana pędu między fazą ciekłą a gazową, rozdrobnienie kropel na wskutek
1
2
3
prof. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
dr inż. Janusz Januła, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska,
inż. Maciej Kintop, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
63
turbulencji, ich odparowanie, rozpad wtórny, odbijanie się od siebie oraz interakcja ze
ściankami komory spalania, są opisane kompleksowo odrębnymi modelami, dzięki
którym użycie modułu Spray (specjalny moduł programu dla obliczeń numerycznych
wtrysku paliwa) jest wiarygodne dla różnych przepływów [1].
Ciśnienie wtrysku jest obliczane na podstawie czasu jego trwania, zadanej dawki i
wymiarów geometrycznych wtryskiwacza. W symulacji rozpatrywany był pojedynczy,
ciągły wtrysk paliwa o określonej dawce i określonej średnicy otworu wtryskiwacza.
Użycie programu AVL Fire umożliwiło na przeprowadzenie analizy wpływu
parametrów procesu wtrysku oleju napędowego i oleju rzepakowego na wybrane
parametry geometryczne strugi jak rozkład prędkości oraz zasięg strugi paliwa [1].
2. Zakres badań
Badania symulacje przeprowadzone zostały dla silnika o zapłonie samoczynnym i
wtrysku bezpośrednim z otwartą komorą spalania w denku tłoka o następujących
parametrach geometrycznych:
 średnica tłoka: 80mm
 skok tłoka: 84 mm
 długość korbowodu: 137 mm
Parametry wejściowe do badań symulacyjnych:
 zakres analizy 180 do 490 oOWK,
 prędkość obrotowa silnika 1800 obr/min,
 zakres temperatur paliwa od 280K do 315K,
 czas trwania wtrysku paliwa 1.0,1.5,3.0 ms,
 kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa αw = 6 [oOWK],
 stała dawka paliwa 19 mm3,
 średnica otworu wtryskiwacza paliwa 0,17 mm,
 ciśnienie początku suwu sprężania ps [Pa] 120 000,
 temperatura początku suwu sprężania Tsp [K] 330,
 średnia temperatura tłoka Tt [K] 560.
3. Wyniki badań symulacyjnych
Na rys. 1a-c. przedstawiono przykładową wizualizację rozkładu prędkości
wtryśniętego paliwa w komorze spalania silnika. Zasięg strugi paliwa pokazany został
odpowiednio dla czasu trwania wtrysku tw=1 ms (a), 1,5 ms (b) i 3 ms (c).
a)
64
b)
c)
Rys. 1 a-c . Maksymalny zasięg strugi paliwa dla czasu wtrysku 1 ms (a), 1,5 ms (b) i 3
ms (c) (po lewej ON, po prawej- OR)
Dla najkrótszego czasu wtrysku, przy 356oOWK, struga osiągnęła już ścianki
komory spalania. Rozkład prędkości strugi paliwa w komorze spalania dobrze
odzwierciedla teorię rozpadu i odparowania na drobniejsze krople oraz pary paliwa,
które są łatwiej wyhamowywane i ich prędkość jest niższa.
W rdzeniu strugi prędkość względna osiąga maksimum globalne 500 m/s dla czasu
wtrysku trwającego 1 ms. Zauważalny jest znaczny spadek prędkości strugi paliwa w
okolicy styku z ścianka komory spalania. Jest to efekt wytracania prędkości przez krople
na ściankach oraz ich odparowania i powstania poduszki gazowej par paliwa .W
końcowej fazie wtrysku zjawisko to zanika ze względu na ochłodzenie części tłoka w
tym miejscu i zmniejszenia efektu odparowania w poczet odbicia cząstek paliwa.
Na rys. 2 a-c przedstawiono zależności maksymalnego zasięgu strugi oleju
napędowego oraz oleju rzepakowego dla czasu trwania wtrysku tw=1,5 ms i 3 ms i dla
temperatur paliwa 285 i 315 K.
65
Rys. 2 a. Zależność zasięgu strugi oleju napędowego oraz oleju rzepakowego dla czasu
trwania wtrysku tw=1,5 ms i 3 ms dla temperatur paliwa 285 i 315K
Rys. 2 b. Zależność zasięgu strugi oleju napędowego oraz oleju rzepakowego dla
temperatur paliwa 315K w funkcji kąta obrotu wału korbowego
Rys. 2 c. Zależność zasięgu strugi oleju napędowego oraz oleju rzepakowego dla
temperatur paliwa 285 i 315K i czasu wtrysku tw=1 ms, tw=3 ms w funkcji kąta obrotu
wału korbowego.
Z wykresów wynika, że większy zasięg ma struga wtryśniętego oleju rzepakowego
co oznacza, że struga oleju rzepakowego w każdym przypadku osiąga ścianki komory
spalania szybciej.
W badanym zakresie zmian temperatury 285-315K, podwyższanie temperatury
wtryśniętego paliwa zmniejszyło zasięg strugi wydłużając czas wtrysku przy
66
zachowaniu niezmienionej dawki istnieje możliwość zmniejszenia obciążeń cieplnych i
dynamicznych przez spowolnienie procesu spalania ładunku dzięki lokalnemu
ochładzaniu komory spalania przez odparowujące ze strugi paliwo. Tym samym,
poprzez skrócenie czasu wtrysku istnieje możliwość podniesienia ciśnienia spalania,
jednakże wiąże się to ze wzrostem obciążeń mechanicznych elementów silnika.
4. Wnioski
Wyniki badań symulacyjnych wykazały, że dla najkrótszego czasu wtrysku paliwa
prędkość względna cząstek w rdzeniu strugi jest wyższa dla oleju rzepakowego w
porównaniu do oleju napędowego. Długość strugi na jakiej występuje prędkość
względna rzędu 500 m/s jest także większa dla oleju rzepakowego. Oznacza to, że w
rdzeniu strugi krople oleju rzepakowego o największej średnicy ulegają rozpadowi dużo
później niż w przypadku oleju napędowego. Wyniki porównawczych badań
symulacyjnych umożliwiają na ocenę paliwa oraz wstępny dobór kształtu i parametrów
geometrycznych komory spalania oraz usytuowania wtryskiwacza. Badania symulacyjne
wymagają weryfikacji poprzez przeprowadzenie wieloparametrycznych badań na
stanowisku silnikowym.
Literatura:
[1]. Materiały szkoleniowe firmy AVL
[2]. Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym; WKŁ,
Warszawa, 2008.
[3]. Lotko Wincenty; „Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami
węglowodorowymi i roślinnymi”; WNT Warszawa1997
[4]. http://www.pae.org.pl/eusew/zaloczniki/Biopaliwa_Jakobiec_Janusz.pdf
[5]. http://www.pan-ol.lublin.pl/wydawnictwa/Motrol6/Bochenski.pdf
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki obliczeń symulacyjnych CFD, wykonanych w
programie AVL Fire, dotyczących mechanizmu wtrysku oleju napędowego oraz oleju
rzepakowego do komory spalania silnika o zapłonie samoczynnym. Zawarta została
również analiza wyników symulacji w dziedzinie zasięgu strugi paliwa w zależności od
temperatury paliwa i czasu trwania wtrysku oraz sformułowano wnioski na temat
charakteru procesu wtrysku paliwa ON i OR.
Słowa kluczowe: wtrysk, symulacja, AVL, olej rzepakowy, olej napędowy
COMPARATIVE SIMULATION OF CHOOSEN PARAMETERS OF DIESEL
AND RAPESEED OIL FUELS INJECTION IN AVL FIRE
Abstract
The paper presents the results of CFD simulations obtained with AVL Fire
software about injection mechanism of diesel and rapeseed oil in the combustion
chamber of an self ignition type engine. Analysis of obtained parameters of this process
such as velocity and range of fuel spray was also included. The conclusions about
characteristics of injection of these two different types of fuels were made.
Keywords: injection, simulation, AVL, rapeseed oil, diesel
67