ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012 Stanisław W. Kruczyński 1, Janusz Januła 2, Maciej Kintop 3 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 prof. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska 2 dr inż. Janusz Januła, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska, 3 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 o OWK, 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 α w = 6 [ o OWK], stała dawka paliwa 19 mm 3, średnica otworu wtryskiwacza paliwa 0,17 mm, ciśnienie początku suwu sprężania p s [Pa] 120 000, temperatura początku suwu sprężania T sp [K] 330, średnia temperatura tłoka T t [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 t w =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 356 o OWK, 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 t w =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 t w =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 t w =1 ms, t w =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