SYMULACJA NUMERYCZNA PROCESÓW SPALANIA W POJEDYNCZEJ KOMORZE SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ETAP I. PRZYGOTOWANIE OBLICZEŃ

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 48, ISSN X SYMULACJA NUMERYCZNA PROCESÓW SPALANIA W POJEDYNCZEJ KOMORZE SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ETAP I. PRZYGOTOWANIE OBLICZEŃ Zbigniew Kosma, Bartosz Piechnik, Rafał Kalbarczyk Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu, ul. Krasickiego 54, Radom zbigniew.kosma@uthrad.pl, b.piechnik@uthrad.pl, rafalk@ghnet.pl Streszczenie W pracy przedstawiony został przygotowawczy etap prac związanych z problematyką przeprowadzania symulacji numerycznej procesów spalania w pojedynczej komorze spalania silnika o zapłonie samoczynnym zasilanym dwupaliwowo. Na potrzeby symulacji stworzono model geometryczny komory spalania silnika oraz wygenerowano odpowiednią siatkę numeryczną z wykorzystaniem oprogramowania firmy ANSYS. Wykonano także analizę numeryczną przepływu powietrza w komorze spalania uwzględniającą ruch tłoka i zaworów. Słowa kluczowe: CNG, modelowanie, silnik dwupaliwowy, symulacja numeryczna NUMERICAL SIMULATION OF COMBUSTION PROCESSES IN SINGLE COMBUSTION CHAMBER OF SELF-IGNITING DIESEL ENGINE STAGE I. PREPARATION OF CALCULATION Summary In the paper a preparatory stage of work on the issue of the numerical simulation of combustion processes in the bi-fuel powered diesel engine was presented. For the purposes of the numerical simulation a single geometric model of the combustion chamber of the engine was created and a corresponding numerical grid by means of Ansys software was generated. Numerical simulations of the air flow in a single combustion chamber of self-igniting diesel engine including movement of the piston and valves was also carried out. Keywords: CNG, modelling, dual-fuel engine, numerical simulation 1. WSTĘP Jednym ze sposobów zmniejszenia zużycia ropy naftowej jest coraz powszechniejsze stosowanie paliw alternatywnych w konwencjonalnych silnikach. Przykładem takiego rozwiązania jest np. zasilanie silników o zapłonie iskrowym gazem LPG (Liquefied Petroleum Gas), bądź też silników o zapłonie samoczynnym gazem CNG (Compressed Natural Gas). CNG to naturalny gaz ziemny w postaci sprężonej do ciśnienia MPa. Jest on alternatywnym paliwem składającym się w głównej mierze z metanu. Prosta budowa chemiczna metanu i mniejsza zawartość węgla w stosunku do paliw ropopochodnych powodują, że spaliny charakteryzują się niższą zawartością zanieczyszczeń w stosunku do spalin będących produktem spalania oleju napędowego. CNG może być stosowany zarówno w silnikach o zapłonie iskrowym, jak i silnikach o zapłonie samoczynnym. Zasilanie silnika o zapłonie iskrowym nie sprawia większych problemów, ponieważ spalanie 63

2 SYMULACJA NUMERYCZNA PROCESÓW SPALANIA W POJEDYNCZEJ KOMORZE inicjowane jest w tym przypadku za pomocą iskry elektrycznej. W silnikach diesla temperatura samozapłonu oleju napędowego wynosi ok. 270 C. Spalanie w takim silniku następuje na skutek samozapłonu mieszanki paliwowej w cylindrze w temperaturze C. Jest ono wywołane na skutek narastającego ciśnienia podczas suwu sprężania [1]. Temperatura samozapłonu CNG jest dużo wyższa i wynosi ok. 630 C. Skonstruowanie silnika, który byłby w stanie uzyskać ciśnienie niezbędne do zapoczątkowania procesu spalania samego gazu naturalnego, jest bardzo trudne. Rozwiązaniem tego problemu jest zasilanie dwupaliwowe. Polega ono na dostarczeniu do komory spalania niewielkiej dawki pilotującej w postaci oleju napędowego, która pod wpływem sprężania w cylindrze ulega zapłonowi, a następnie wtryśnięciu właściwego paliwa jakim jest CNG. Silnik zasilany dwupaliwowo posiada pewne wady w stosunku do silnika bazowego (zasilanego tylko samym olejem napędowym), a mianowicie mniejszą moc oraz skłonność do spalania stukowego [2-4]. Cechą charakterystyczną tego typu spalania są silne pulsacje ciśnienia w cylindrze, pojawiające się w suwach sprężania i rozprężania. Pierwszy etap symulacji numerycznej procesu spalania w pojedynczej komorze silnika o zapłonie samoczynnym jest etapem przygotowawczym prac związanych z analizą numeryczną silnika zasilanego dwupaliwowo. Mają one na celu stworzenie modelu geometrycznego komory spalania, wygenerowanie siatki obliczeniowej i jej przetestowanie oraz określenie warunków początkowych. Drugim etapem pracy będzie przeprowadzenie symulacji numerycznych z zastosowaniem modelu spalania, przy uwzględnieniu wymiany ciepła oraz reakcji chemicznych. Istnieje wiele pakietów komercyjnych o ugruntowanej renomie, umożliwiających modelowanie procesów spalania w silnikach spalinowych, np. KIVA-3V [5], AVL FIRE [6], CHEMICIN i inne [7, 8]. Do tej grupy zalicza się także pakiet Ansys Workbench wyposażony w program Fluent [9]. 2. MODEL GEOMETRYCZNY KOMORY SPALANIA Odwzorowanie geometrii obszaru jest pierwszym etapem prac poprzedzających symulacje numeryczne rozważanych problemów. Oprogramowanie ANSYS [9] posiada własne narzędzie do tworzenia geometrii, jakim jest DesignModeler. Jest to narzędzie, które umożliwia także wczytanie kompletnej geometrii, uprzednio przygotowanej w programach typu CAD. Rys. 1. Silnik ADCR firmy Andoria zaadaptowany do zasilania dwupaliwowegoi pojedynczy tłok Do stworzenia geometrii niezbędnej do wygenerowania siatki użyto programu AutodeskInventor. Na podstawie rysunku technicznego głowicy silnika oraz tłoka (rys.1) został odwzorowany trójwymiarowy model pojedynczej komory spalania silnika ADCR firmy Andoria. Na rys. 2 został przedstawiony model geometryczny komory spalania, w której zachodzą procesy spalania mieszanki palnej. Do każdego kąta obrotu wału korbowego została przypisana odpowiednia pozycja tłoka i zaworów. Rys. 3 przedstawia przykładowe położenia tłoka i zaworów względem określonego kąta obrotu wału korbowego. 64

3 Zbigniew Kosma, Bartosz Piechnik, Rafał Kalbarczyk Rys. 2. Model geometryczny komory spalania wraz z kanałami dolotowymi i wylotowymi Rys. 3. Przykładowe położenia tłoka i zaworów dla różnej wartości kąta obrotu wału korbowego Tak przygotowany model geometryczny komory spalania wraz z dolotami został podzielony na odpowiednie podobszary (rys. 4), dzięki czemu możliwe było osobne generowanie siatki obliczeniowej dla poszczególnych stref geometrii. W strefach występowania największych gradientów prędkości czynnika oraz w warstwie przyściennej siatka numeryczna została dodatkowo zagęszczona. W dalszej fazie obliczeń pozwoli to na uzyskanie dokładniejszych wyników wielkości hydrodynamicznych, np. prędkości, czy ciśnienia. Rys.4. Sposób podziału geometrii na poszczególne podobszary Do przygotowania siatki numerycznej komory spalania wykorzystano program AnsysMeshing, który oferuje bardzo zaawansowane możliwości tworzenia siatek obliczeniowych. Przedstawiona na rys. 5 siatka obliczeniowa składa się 85 tysięcy elementów głównie czworościennych i posiada 38 tysięcy węzłów. Jakość siatki obliczeniowej określono przy wykorzystaniu parametru skośności skewness, który wyniósł

4 SYMULACJA NUMERYCZNA PROCESÓW SPALANIA W POJEDYNCZEJ KOMORZE Rys. 5. Przekroje siatki numerycznej wygenerowanej za pomocą AnsysMeshing W przypadku symulacji numerycznej procesów zachodzących w komorze spalania należy dokonać wstępnej analizy, w których obszarach będą zachodziły najistotniejsze zjawiska w czasie pracy silnika. Na rys. 6 pokazano sposób, w jaki została zagęszczona siatka obliczeniowa w kanałach dolotowych. Na rys. 7 przedstawiono przykładowe siatki obliczeniowe wygenerowane dla różnych położeń tłoka. Rys. 6. Sposób zagęszczenia siatki obliczeniowej w kanałach dolotowych Rys. 7. Przykładowe siatki obliczeniowe wygenerowane dla różnych położeń tłokai zaworów 3. WYNIKI SYMULACJI NUMERYCZNEJ PRZEPŁYWU POWIETRZA W celu sprawdzenia poprawności wygenerowania siatki obliczeniowej i określenia warunków początkowych dla dalszych obliczeń procesów spalania w pojedynczej komorze spalania silnika o zapłonie samoczynnym wykonano symulacje numeryczne przepływu powietrza po zaimportowaniu siatki do programu AnsysFluent. Obliczenia przeprowadzono w warunkach niestacjonarnych dla okresu pracy silnika obejmującego 720 OWK przy prędkości obrotowej wału korbowego 66

5 Zbigniew Kosma, Bartosz Piechnik, Rafał Kalbarczyk 2000 obr/min. Powietrze zostało dostarczone do kolektora w warunkach normalnych. Panujące na wlocie do kolektora dolotowego ciśnienie powietrza było jednocześnie warunkiem początkowym i wynosiło 0,1 MPa, przy temperaturze równej 300 K. Rozwiązanie zostało uzyskane na podstawie standardowego modelu turbulencji k-epsilon z domyślnymi parametrami. Na rys zamieszczono graficzną prezentację części otrzymanych wyników przy określonych kątach obrotu wału korbowego w płaszczyźnie znajdującej się w osi symetrii zaworów (rys. 8). Obliczenia rozpoczęły się w GMP na początku suwu rozprężania i trwały 720 OWK do zakończenia suwu sprężania silnika. Rys. 8. Płaszczyzna znajdująca się w osi symetrii zaworów (a) (b) (c) (d) Rys. 9. Rozkłady prędkości (m/s): (a) 4 OWK; (b) 70 OWK (ruch tłoka w kierunku DMP); (c) 270 OWK; (d) 470 OWK Na rys. 10 i 11 przedstawiono wygenerowane rozkłady wektorów prędkości i pól ciśnienia, jakie uzyskano dla wybranych wartości kąta obrotu wału korbowego. 67

6 SYMULACJA NUMERYCZNA PROCESÓW SPALANIA W POJEDYNCZEJ KOMORZE Rys. 10. Rozkład wektorów prędkości i pól ciśnienia dla 265 OWK Rys. 11. Rozkład wektorów prędkości i pól ciśnienia dla 480 OWK 4. PODSUMOWANIE Wygenerowanie siatki numerycznej i wykonanie obliczeń przepływu powietrza jest etapem przygotowawczym do przeprowadzenia kompletnej symulacji numerycznej procesów spalania w pojedynczej komorze silnika diesla zasilanego dwupaliwowo z wykorzystaniem modułu solver pakietu Fluent. Otrzymane w drugim etapie obliczeń rozkłady pól ciśnienia zostaną porównane z wynikami uzyskanymi na drodze eksperymentalnej z wykorzystaniem czujnika piezoelektrycznego. Pozwoli to jednoznacznie potwierdzić poprawność wygenerowanej siatki obliczeniowej i przyjętych warunków początkowych. Po przeprowadzeniu kompletnej analizy numerycznej i porównaniu jej wyników z rezultatami badań eksperymentalnych można będzie zdiagnozować problemy występujące podczas pracy silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego dwupaliwowo i zaproponować ewentualne modyfikacje rozwiązań konstrukcyjnych komory spalania i kanałów dolotowych. Jest przy tym istotne, że pomiary laboratoryjne są dokonywane wyłącznie w wybranych punktach dyskretnych, natomiast przeprowadzenie symulacji numerycznych pozwali na uzyskanie wyników w całej objętości komory spalania. Literatura 1. Wajand J.A.: Silniki o zapłonie samoczynnym. Warszawa: WNT, Różycki A.: Analiza drgań głowicy silnika wysokoprężnego zasilanego dwupaliwowo. Journal of KONES Internal Combustion Engines 2006, Vol Różycki A.: Granica spalania stukowego w dwupaliwowym silniku o zapłonie samo-czynnym. Czasopismo techniczne, Wyd. Pol. Krak. 2008, z.7-m, s

7 Zbigniew Kosma, Bartosz Piechnik, Rafał Kalbarczyk 4. Kowalewicz A.: Adaptacja silnika wysokoprężnego do zasilania gazem naturalnym. Kraków: Wyd. Pol. Krak., Teodorczyk A., Sutkowski M.: Methane direct injection system for spark ignition engines a numerical study. Journal of KONES Internal Combustion Engines 2004, Vol. 11, No. 3-4, p Tutak W., Jamrozik A.: Modelowanie obiegu silnika gazowego z wykorzystaniem programu AVL Fire. Modelowanie i symulacja, PTNSS-2010-SS Varol Y., Oztop H.F., Firat M., Koca A.: CFD modeling of heat transfer and fluid flow inside a pent-roof type combustion chamber using dynamic model. International Communications in Heat and Mass Transfer 2010, Vol. 37, Iss. 9, p Gosman A.D.: State of the art of multi-dimensional modeling of engine reacting flows. Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP, 1999, Vol. 54, No. 2, p Dokumentacja programu Ansys Fluent. 69