Simulation research on environmental impact parameters for filling the cylinder engine

Transkrypt

1 Artile itation info: LISOWSKI M. Simulation researh on environmental imat arameters for filling the ylinder engine. Possibilities for develoment. Combustion Engines. 2015, 162(3), ISSN Maiej LISOWSKI PNSS Simulation researh on environmental imat arameters for filling the ylinder engine he artile resents the results of assessing the imat of environmental arameters (temerature and ressure) to fill a ylinder internal ombustion engine. Data for the assessment determined on the basis of the model diesel engine. he masses of air enlosed in the working sae of the ylinder, for different values of the environmental arameters were alulated using a mathematial model based on the Navier-Stokes. Simulations were erformed throughout the seed range of the engine. Model results are resented as deending on the filling fator as a funtion of ambient temerature and ressure for onstant seed. Designated trend line equation are the same relationshi to alulate a orretion fator for the fill fator. Key words: filling, ambient temerature, barometri ressure, the orretion fator Symulayjne badanie wływu arametrów otozenia na naełnienie ylindrów silnika salinowego W artykule rzedstawiono wyniki oeny wływu arametrów otozenia (temeratury i iśnienia) na naełnienie ylindrów silnika salinowego. Dane do oeny wyznazono na odstawie badań modelowyh silnika o załonie samozynnym. Masy owietrza zamknięte w rzestrzeni robozej ylindra, dla różnyh wartośi arametrów otozenia, oblizono rzy zastosowaniu modelu matematyznego oartego na równaniah Naviera- Stokesa. Symulaje wykonano ałego zakresu rędkośi obrotowyh wału korbowego silnika. Wyniki badań modelowyh zarezentowano jako zależnośi wsółzynnika naełnienia w funkji temeratury i iśnienia otozenia dla stałej rędkośi obrotowej. Wyznazone równania linii trendu stanowią tym samym zależność do oblizenia wsółzynnika korekji dla wsółzynnika naełnienia. Słowa kluzowe: naełnienie, temeratura otozenia, iśnienie barometryzne, wsółzynnik korekji 1. Wstę Proedury badawze, według któryh dokonuje się badań silników określają wyosażenie silnika i warunki otozenia w jakih owinno się rowadzić badania Warunki otozenia określone są między innymi rzez temeraturę i iśnienie barometryzne. Stąd niejednokrotnie w badaniah ekserymentalnyh koniezne jest srowadzenia arametrów otrzymanyh w warunkah rzezywistyh, do arametrów jakie otrzymano by w warunkah określonyh w normah jako normalne. Normy odają warunki rowadzenia badań oraz zależnośi według któryh srowadza się arametry ray silnika do warunków normalnyh. Na rzykład według DIN zależność określająa wsółzynnik korekji (CF) jest nastęująa [3]: 0 CF 0 W niniejszej ray zaroonowano zależnośi wsółzynnika korekyjnego dla wsółzynnika naełnienia osobno dla temeratury i iśnienia. akie ujęie jest według autora lesze ze względu na różny wływ temeratury i iśnienia na naełnienie. 0,5 2. Metodyka badań Przerowadzone badania mają harakter symulayjny. Zastosowano model matematyzny układu dolotowego należąy do gruy modeli jednowymiarowyh uwzględniająyh zasadę zahowania energii. Do oisu zjawisk w rzewodzie dolotowym niezbędny jest ois zjawisk w ylindrze. W tym rzyadku użyto modelu zerowymiarowego. Model zakłada rzeływ owietrza omiędzy trzema szeregowymi układami otozenie układ dolotowy ylinder otozenie oisany odstawowymi równaniami sformułowanymi dla ogólnego modelu łynu wynikająymi z trzeh odstawowyh zasad mehaniki [1]: - zasady zahowania masy, div u 0 (1) t - zasady zahowania ędu i momentu ędu, du F divs (2) - zasady zahowania energii d 2 u C v F u q 2 (3) div grad div S u 1065

2 Zahodząe w ylindrze silnika zjawiska oisano równaniami zahowania masy i energii [1]: d d m m d m w (4) Ed U E w (5) Uwzględnienie założeń uraszzająyh ozwoli srowadzić równania (1,2,3), oisująe zjawiska w rzewodzie dolotowym do ostai [1]: u u t x x u 1 u u u kt (6) t x x 2 u u kt 1 u t x x Natomiast równania dla ylindra [1]: dm dms dmw (7) h A s C xl dm Cv m C v d dms C dv dm w (8) V m R V (9) Równania (6-9) rozwiązano wykorzystują jawną metodę MaCormaka [1] jako szzególnie rzydatną do rozwiązywania nielekih rzeływów gazu. 3. Badania Do badań symulayjnyh użyto silnik o załonie samozynnym SW 680. Symulaje wykonano dla rędkośi obrotowyh wału korbowego silnika z zakresu od 1000 obr/min do 2200 obr/min z krokiem o 200 obr/min. Wielkośią wynikową była masa owietrza w ylindrze o zamknięiu obu zaworów. Zakres badanyh iśnień zawierał się w rzedziale od Pa do Pa z krokiem o 5000 Pa), a temeratury otozenia rzyjmowano z zakresu od 203 K do 373 K z krokiem o 10 K. Rys. 1. Interfejs grafizny rogramu symulayjnego układu dolotowego Źródło: Oraowanie własne Na rysunku 1 rzedstawiono interfejs grafizny do rogramu w środowisku Mat Lab. Umożliwia on oblizenie wartośi: - masy owietrza ozostająej w ylindrze o zamknięiu zaworu dolotowego, - rzebiegu iśnienia w rzewodzie dolotowym w zależnośi od kąta OWK, - rzebiegu iśnienia w ylindrze w zależnośi od kąta OWK, - temeratury w ylindrze [1]. Rys. 2. Wyniki symulaji dla iśnienia otozenia = Pa i temeratury 298 K i dla temeratury otozenia = 203 K i iśnienia = Pa Źródło: Oraowanie własne Przy symulaji wływu iśnienia ustalano wartość temeratury na 298 K (temeratura normalna), natomiast rzy badania wływu temeratury ustalano wartość iśnienia na Pa (iśnienie w warunkah normalnyh). Na rysunku 2 rzedstawiono wynik ojedynzej symulaji. Umieszzona na każdym wykresie tabelka z wartośiami masy owietrza dla rozatrywanyh rędkośi obrotowyh wykorzystywana była do dalszyh analiz. 4. Wyniki badań Wyniki wszystkih symulaji użyto do wyznazenia wartośi wsółzynników naełnienia i odano w tabelah 1 i 2 oraz rzedstawiono w ostai grafiznej dla oeny wływu iśnienia (rys.3.) i temeratury (rys.4.). Na rysunku 3 widać liniową zależność wsółzynnika naełnienia od iśnienia otozenia, rzy zym linie dla rędkośi od 1000 obr/min do

3 obr/min okrywają się. Linie dla rędkośi obrotowyh 2000 obr/min i 2200 obr/min również się okrywają lez ołożone są nieznaznie niżej od ozostałyh. Największa różnia wystęuje w zakresie wyższyh iśnień i wynosi około 2%. Równanie wyznazonej linia trendu, stanowiąej jednoześnie szukane równanie do oblizenia wsółzynnika naełnienia w dowolnyh warunkah, rzyjmie ostać: wsółzynnik naełnienia Wsółzynnik naełnienia 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 6 v 910 0,0027 (10) 0 y = 9E-06x - 0, [1/min] 1200 [1/min] 1400 [1/min] 1600 [1/min] 1800 [1/min] 2000 [1/min] 2200 [1/min] Liniowy (1000 [1/min]) iśnienie otozenia [Pa] Rys. 3. Zależność wsółzynnika naełnienia od iśnienia otozenia Źródło: Oraowanie własne 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0, [1/min] 1200 [1/min] 1400 [1/min] 1600 [1/min] 1800 [1/min] 2000 [1/min] 2200 [1/min] 0, emeratura otozenia [K] 350 Rys. 4. Charakterystyka zmian wsółzynnika naełnienia od temeratury otozenia Źródło: Oraowanie własne Rozbieżnośi omiędzy oszzególnymi liniami rys.4. nie rzekrazają 10%. Jedynie w rzyadku linii dla 2200 obr/min i skrajnie niskih temeratur otozenia różnia sięga około 15 %. Podobne rozbieżnośi wystęowały w moih wześniejszyh badaniah właśnie dla rędkośi obrotowej 2200 obr/min rzy zym były to rozbieżnośi omiędzy wynikami badań ekserymentalnyh silnika SW 680, a wynikami symulaji. Generalnie różnie nie rzekrazały 5% [1]. Linie (rys. 4) można oisać równaniem otęgowym o ostai: 5. Wnioski v (11) W większośi oraowań dotyząyh wływu arametrów otozenia (iśnienia i temeratury) określa się ih wływ na wyjśiowe arametry ray silnika, to jest mo i moment obrotowy, brak jest natomiast danyh dotyząyh wływu iśnienia i temeratury na wsółzynnik naełnienia. Ozywiśie jest to zrozumiałe gdyż to właśnie mo i moment obrotowy są arametrami które zazwyzaj się orównuje. Oraowany rzez autora dodatkowy rogram umożliwia oblizenie teoretyznyh wartośi moy i momentu obrotowego na odstawie uzyskanyh wartośi wsółzynnika naełnienia. Program dodatkowy wymaga jednak rzyjęia wartośi srawnośi, o może srawić, że uzyskane wyniki będą różnić się od wartośi uzyskanyh w badaniah ekserymentalnyh. Symulaje rzerowadzone rzez autora oublikowane w innyh raah [1] otwierdzają wystarzająą zgodność wyników badań modelowyh z wynikami badań ekserymentalnyh. Zaroonowane w niniejszym oraowaniu zależnośi oisująe wływ rozatrywanyh warunków otozenia na naełnienie wydają się być wygodne do zastosowania w raktye. Pozwalają one uzyskać wartość wsółzynnika naełnienia na odstawie wartośi iśnienia i temeratury otozenia. Ozywiśie roonowane zależnośi dotyzą symulaji rzerowadzonyh dla konkretnego silnika jednak sama symulaja naełnienia ma harakter ogólny gdyż model oisuje zjawiska w rzewodzie dolotowym dla dowolnego silnika. Uogólnienie zaroonowanyh zależnośi na dowolny silnik jest stosunkowo roste gdyż wystarzy wrowadzić wsółzynnik korekji jako mnożnik wsółzynnika naełnienia dla konkretnego silnika, odobnie jak ma to miejse w rzyadku wsółzynnika korekji dla moy i momentu obrotowego. Nomenlature/Skróty i oznazenia iśnienie otozenia odzas badań [Pa], 0 iśnienie otozenia normalne ( Pa), temeratura otozenia odzas badań [K], 0 temeratura normalna (298 K). zas, ρ S Γ u gęstość, tensor narężeń, temeratura, rzewodność ielna, rędkość, 1067

4 F siła masowa, C v ieło właśiwe rzy stałej objętośi, q wydajność jednostkowa wewnętrznego źródła ieła m masa ładunku w ylindrze, m d masa dorowadzona do ylindra, m w masa odrowadzona z ylindra, E d energia dorowadzona do ładunku w ylindrze, E w energia wyrowadzona z układu, ΔU zmiana energii wewnętrznej układu abela 1. Wartośi wsółzynnika naełnienia dla rozatrywanyh iśnień Wsółzynnik naełnienia ηv=9*10-6 / 0 [obr/min] [Pa] [bar] η v η v ,50 0,464 0,465 0,465 0,465 0,465 0,457 0,456 0, ,55 0,511 0,512 0,511 0,512 0,511 0,502 0,502 0, ,60 0,557 0,558 0,558 0,558 0,558 0,548 0,548 0, ,65 0,604 0,605 0,605 0,605 0,605 0,595 0,593 0, ,70 0,651 0,652 0,652 0,652 0,651 0,638 0,639 0, ,75 0,697 0,698 0,698 0,698 0,697 0,684 0,683 0, ,80 0,744 0,745 0,745 0,745 0,745 0,730 0,729 0, ,85 0,791 0,792 0,791 0,792 0,791 0,776 0,775 0, ,90 0,837 0,839 0,838 0,838 0,838 0,822 0,821 0, ,95 0,884 0,885 0,885 0,883 0,884 0,868 0,866 0, ,00 0,931 0,932 0,932 0,932 0,930 0,914 0,912 0, ,05 0,977 0,979 0,979 0,978 0,977 0,959 0,958 0,945 abela 2. wartośi wsółzynnika naełnienia dla różnyh temeratur otozenia Wsółzynnik naełnienia ηv=156*(/ 0 ) -0,9 [obr/min] [K] [ C] η v η v ,293 1,297 1,302 1,289 1,276 1,299 1,323 1, ,238 1,242 1,245 1,239 1,218 1,236 1,262 1, ,188 1,191 1,193 1,192 1,168 1,180 1,203 1, ,142 1,145 1,146 1,147 1,125 1,130 1,149 1, ,100 1,103 1,103 1,106 1,087 1,080 1,100 1, ,061 1,064 1,063 1,066 1,053 1,042 1,056 1, ,025 1,027 1,027 1,030 1,020 1,005 1,015 1, ,991 0,993 0,993 0,995 0,988 0,971 0,978 0, ,960 0,962 0,961 0,962 0,959 0,941 0,944 0, ,931 0,932 0,932 0,932 0,930 0,914 0,912 0, ,903 0,905 0,904 0,903 0,904 0,890 0,883 0, ,878 0,879 0,878 0,877 0,878 0,866 0,856 0, ,854 0,854 0,854 0,852 0,854 0,844 0,831 0, ,831 0,831 0,831 0,829 0,830 0,823 0,808 0, ,809 0,809 0,810 0,808 0,808 0,803 0,787 0, ,789 0,789 0,789 0,787 0,787 0,784 0,768 0, ,770 0,769 0,769 0,767 0,767 0,766 0,751 0, ,747 0,751 0,751 0,749 0,748 0,747 0,735 0,

5 Bibliograhy/Literatura [1] Lisowski M., Analiza wływu arametrów geometryznyh układu dolotowego na naełnienie ylindrów silnika salinowego i arametry jego ray. Monografia, Zahodnioomorski Uniwersytet ehnologizny w Szzeinie, Wydawnitwo uzelniane ZU, Szzein s ISBN [2] J. R. Sodré J. R., Soares S. M. C., Comarison of engine ower orretion fators for varying atmosheri onditions. Journal of the Brazilian Soiety of Mehanial Sienes and Engineering, vol.25 no.3 Rio de Janeiro July/Set Print version ISSN [3] DIN, 1986, Automotive Engineering; Maximum Seed; Aeleration and Other erms; Definitions and ests", DIN 70020, Deutshes Institut für Normung. Mr Maiej Lisowski, DS., DEng. Dotor in the Faulty of Mehanial Engineering and Mehatronis at West Pomeranian University of ehnology, Szzein. Dr hab. inż. Maiej Lisowski, adiunkt na Wydziale Inżynierii Mehaniznej i Mehatroniki Zahodnioomorskiego Uniwersytetu ehnologiznego w Szzeinie. 1069