ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013 Stanisław W. Kruczyński 1, Janusz Januła 2, Maciej Kintp 3 BADANIA SYMULACYJNE WPŁYWU WIELKOŚCI DAWKI PILOTUJĄCEJ OLEJU NAPĘDOWEGO NA PARAMETRY CZYNNIKA ROBOCZEGO W KOMORZE SPALANIA SILNIKA W PROGRAMIE AVL 1.Wstęp Cywilizacja techniczna w ciągu statnieg stulecia zużyła k. 2/3 całkwitej energii pierwtnej której źródła są wyczerpywalne. Racjnalnym rzwiązaniem prblemu wyczerpywalnści jest intensyfikacja działań zapewniających zrównważny rzwój dnawialnych źródeł energii w tym paliw dnawialnych. Takie pstępwanie jest uzasadnine z teg względu, iż cechą charakterystyczną dnawialnych paliw jest fakt, że ich zasby w zasadzie nie zmniejszają się w wyniku wykrzystania ich przez człwieka. D paliw tych należą między innymi bigazy raz leje rślinne. Wykrzystanie tych paliw jest mżliwe w silnikach spalinwych z zastswaniem systemu zasilania dwupaliwweg, w którym dawka leju jest graniczna d minimum i ma za zadanie pełnić rlę piltującą spalanie, a więc pprzez samzapłn pdnieść lkalną temperaturę w kmrze spalania, by zaistniały warunki d samzapłnu bigazu. W kreśleniu parametrów knstrukcyjnych raz regulacyjnych zapewniających spełnienie warunków samzapłnu tej dawki mgą być pmcne prgramy CFD, takie jak AFL Fire, który psłużył d przykładwych symulacji. 2.Opis prgramu D badań symulacyjnych zastswan prgram AVL Fire v2010, który jest pierwszym prgramem d numerycznych bliczeń przepływów CFD (Cmputatinal Fluid Dynamics) z prstym interfejsem użytkwnika. Symulacja sameg prcesu wtrysku piera się na mdelu przepływu wielfazweg i wymaga numeryczneg rzwiązania równań zachwania masy i pędu dla fazy gazwej i ciekłej jedncześnie. Praktycznie wszystkie bliczenia inżynierskie rzpylenia cieczy bazują na metdzie statystycznej DDM (Discrete Drplet Methd). Metda DDM plega na rzwiązaniu równań różniczkwych między innymi pędu, ruchu, czy transferu masy dla pjedynczych krpel, zgrupwanych w pakiety (z ang.: parcel). Pakiet t zbiór identycznych, nie ddziałujących między sbą krpel takich samych wartściach wielkści fizycznych je Rys. 1. Ilustracja dyskretyzacji rzkładu rzeczywisteg. Rys. 2. Ilustracja pdziału strugi paliwa na pakiety. 1 prf. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński, Instytut Pjazdów, Plitechnika Warszawska 2 dr inż. Janusz Januła, Instytut Pjazdów, Plitechnika Warszawska, 3 inż. Maciej Kintp, Instytut Pjazdów, Plitechnika Warszawska 145

2 pisujących. Jeden element pakietu reprezentuje stan wszystkich w nim zawartych. Na pniższych rysunkach przedstawin interpretację metdy DDM. Pakiety krpel wprwadzane są d przepływu z warunkami pczątkwymi- płżeniem, rzmiarem, prędkścią, i zawartą w nich liczbą cząsteczek. Prgram Fire bsługuje wprwadzanie krpel pwstających w dyszy jak spray i wchdzących d przepływu jak mieszanina gazów i cieczy. Rzmiary krpel determinwane są różnymi rzkładami, np. Gaussa. Prces rzpylenia strugi paliwa jest bliczany w drębnych pd mdelach. Wymiana pędu między fazą ciekłą a gazwą, rzdrbnienie krpel na wskutek turbulencji, ich dparwanie, rzpad wtórny, dbijanie się d siebie raz interakcja ze ściankami kmry spalania, są pisane kmpleksw drębnymi mdelami, dzięki którym użycie mdułu Spray (specjalny mduł prgramu dla bliczeń numerycznych wtrysku paliwa) jest wiarygdne dla różnych przepływów. Prgram Fire mże służyć d wielu zadań związanych z zagadnieniami przepływu. Aby zamdelwać kmrę spalania zmiennej bjętści należy uprzedni stwrzyć mdel denka tłka i cylindra, a p wczytaniu d prgramu stwrzyć na ich pdstawie siatki bliczeniwe. Siatkę mdelu użyteg d badań przedstawin na rysunku 3.7. W miejscach, gdzie szczegółwść dwzrwania kształtów jest bardz ważna stsuje się funkcję mesh refinement, działającą pdbnie d metdy zagęszczania siatki z prgramów MES (Metda Elementów Skńcznych). D dwzrwania zmiennej bjętści skkwej silnika niezbędne jest wykrzystanie siatki ściśliwej ( zmiennej dległści sąsiednich węzłów), pzstałe są mdelwane za pmcą siatek niedkształcalnych (dkształcalnść głwicy, tłka i cylindra pmija się). Dla przyspieszenia bliczeń najlepiej jest wykrzystać symetrię kmry spalania i pdzielić ją na bszary, dla których będzie się rzpatrywać wtrysk paliwa przez tylk jeden twór wtryskiwacza. 3. Dane wejściwe d badań symulacyjnych Prównawcze badania symulacyjne przeprwadzn dla silnika spalinweg Cummins-B6T pjemnści skkwej 5883 cm 3 i twartej kmrze spalania. Dane techniczne silnika, widk z góry na tłk, siatkę bliczeniwą raz charakterystykę silnika przedstawin na rysunkach 3-6: Rys. 3. Dane techniczne silnika Cummins B6T. Rys. 4. Widk z góry na twartą kmrę spalania w denku tłka. Rys. 5. Siatka bliczeniwa kmry spalania. Rys. 6. Charakterystyka silnika. 146

3 W parciu charakterystyki silnika bliczn wielkść piltującej dawki paliwa dla prędkści brtwej maksymalneg mmentu brtweg, a jej zmiany w zakresie 100, 50, 30 i 10% wraz z kątem wyprzedzenia zapłnu psłużyły jak zmienne badań symulacyjnych. Jak parametry wejściwe d badań symulacyjnych przyjęt: a. Prędkść brtwa silnika : n= 1600 br./min. b. Średnica twru wtryskiwacza paliwa: d= 0,2 mm c. Kąt trwania wtrysku paliwa : 2 raz 5 d. Nminalna dawka paliwa: q= 7,877x10-5 g/cykl e. Kąt wyprzedzenia wtrysku: 5,8 raz 11 f. Ciśnienie i temperatura na pczątku suwu sprężania: p=120000pa, T= 330K. 4. Wybrane wyniki prównawczych badań symulacyjnych Na wykresach (rys. 7) a-c przedstawin zależnść średnieg ciśnienia spalania raz średniej temperatury w kmrze spalania d wielkści dawki piltującej w funkcji kąta brtu wału krbweg dla następujących danych wejściwych: wtrysku: 5 c. Prędkść brtwa silnika n=1600 br/min Rys. 7. a-c. Zależnść średnieg ciśnienia spalania raz średniej temperatury w kmrze spalania d wielkści dawki piltującej w funkcji kąta brtu wału krbweg. Z analizy przebiegów ciśnienia raz temperatur wynika, ze w zakresie zmian dawki paliwa % maksymalne ciśnienie raz maksymalna temperatura w kmrze spalania wzrasta dwukrtnie. Na rysunku 8 a-b raz 9 a-b przedstawin przebieg średniej temperatury raz średnieg ciśnienia w funkcji kąta brtu wału krbweg dla zmiennych parametrów regulacyjnych raz dawki 10 i 30% wartści nminalnej, przy czym na wykresie 8 a-b zawart ddatkw wyniki zmniejszenia czasu trwania wtrysku d 2 (czwarta krzywa na wykresie). Na rysunkach 9 a-b raz 10 a-b przedstawin rzkład temperatury w kmrze spalania dla dawki piltującej 10% raz kąta brtu wału dpwiadająceg szczytwej wartści temperatury lkalnej całeg biegu. 147

4 wtrysku: 5, 8, 11 b. Kąt trwania wtrysku: 2 raz 5 c. Prędkść brtwa silnika n=1600 br/min. d. Dawka paliwa 10% wartści nminalnej Wykr. Rys a-b. a-b. Przebieg Przebieg średniej średniej temperatury temperatury i średnieg i średnieg ciśnienia dla ciśnienia zmienneg dla zmienneg kąta wyprzedzenia wtrysku i dawki paliwa 10%. wtrysku: wtrysku: 5, 8, 11 5, 8, 11 c. Prędkść brtwa silnika n=1600 br/min. d. Dawka paliwa 30% wartści nminalnej Wykr.. Rys a-b. Przebieg średniej średniej temperatury temperatury i średnieg i średnieg ciśnienia dla ciśnienia zmienneg dla zmienneg kąta wyprzedzenia wtrysku i dawki paliwa 30%. wtrysku: 8 b. Kąt trwania wtrysku: 2 c. Prędkść brtwa silnika n=1600 br/min. T=2355K Rys. 9. a-b Rzkład temperatury w kmrze spalania dla dawki 10% wartści nminalnej wtrysku: 8 c. Prędkść brtwa silnika n=1600 br/min.. T=2235K Rys. 10. a-b Rzkład temperatury w kmrze spalania dla dawki 10% wartści nminalnej 148

5 Z analizy rzkładu temperatur w kmrze spalania silnika wynika, że pprzez wzrst kąta trwania wtrysku paliwa mżna uzyskać wzrst temperatury lkalnej w kmrze spalania c mże mieć isttny wpływ na warunki zapłnu paliwa gazweg. 5. Wniski a. Badania symulacyjne wykazały, że zastswanie dawki piltującej ON jest dbrym narzędziem d inicjacji prcesu zapłnu paliw gazwych jak bigaz. b. Dbór parametrów regulacyjnych takich jak kąt trwania wtrysku raz kąt wyprzedzenia zapłnu dawki piltującej stanwiącej 10% dawki głównej umżliwia wydzielenie w prcesie spalania ilść ciepła niezbędnej d siągnięcia temperatury samzapłnu paliwa gazweg jak bigaz. Najlepsze warunki siąga się przy zwiększeniu kąta wyprzedzenia zapłnu (Rys 2 i 3), raz przy skróceniu kąta jeg trwania (Rys. 7 i 8) c. Uzupełnienie badań symulacyjnych stanwić pwinny badania silnikwe w aspekcie dpuszczalnych bciążeń cieplnych wtryskiwacza nie pwdujących zapiekania kńcówki wtryskiwacza w kmrze spalania Literatura [1] Stanisław W. Kruczyński, Grzegrz Pawlak, Janusz Januła, Maciej Kintp, Prównawcze bliczenia symulacyjne pwstawania NOx i CO przy spalaniu ON i OR w prgramie AVL Fire [2] Kazimierz Baczewski, Tadeusz Kałdński; Paliwa d silników zapłnie samczynnym ; WKŁ 2008 [3] Marek Brzeżański, Zdzisław Juda Napędy hybrydwe, gniwa paliwwe i paliwa alternatywne WKŁ 2010 [4] Materiały szkleniwe AVL; AVL Fire: Spray Streszczenie W pracy przedstawin wyniki bliczeń symulacyjnych, wyknanych w prgramie AVL Fire, dtyczących mechanizmu wtrysku leju napędweg d kmry spalania silnika zapłnie samczynnym. Zawarta zstała również analiza wyników symulacji w dziedzinie przebiegów ciśnień raz rzkładu temperatur w zależnści d kata wyprzedzenia wtrysku,kata trwania wtrysku raz wielkści dawki piltującej raz sfrmułwan wstępne wniski na temat dbru parametrów regulacyjnych prcesu wtrysku dawki piltującej leju napędweg. Słwa kluczwe: wtrysk, symulacja, AVL, lej rzepakwy, lej napędwy Abstract In this paper have been presented sme f utputs frm simulatin calculatins perfrmed with AVL Fire sftware abut diesel fuel injectin int cmbustin chamber prcess f an self ignited internal cmbustin engine. This paper cntains als an analysis f utputs f these calculatins in the field f cmbustin chamber pressure graphs and temperature field distributin depending n injectin timing and vlume f fuel pilt dse. Cnclusins abut chice f injectin timing and pilt fuel dse have been expressed. Key wrds: injectin, simulatin, AVL, rapeseed il, diesel fuel Artykuł zstał pracwany w ramach prjektu badawczeg Nr: 5030E! 149