article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(92)/2013
Stanisław W. Kruczyński1, Janusz Januła2, Maciej Kintop3
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 ostatniego stulecia zużyła ok. 2/3 całkowitej energii
pierwotnej której źródła są wyczerpywalne. Racjonalnym rozwiązaniem problemu
wyczerpywalności jest intensyfikacja 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 między innymi biogazy oraz oleje roślinne. Wykorzystanie tych
paliw jest możliwe w silnikach spalinowych z zastosowaniem systemu zasilania
dwupaliwowego, w którym dawka oleju jest ograniczona do minimum i ma za zadanie
pełnić rolę pilotującą spalanie, a więc poprzez samozapłon podnieść lokalną temperaturę
w komorze spalania, by zaistniały warunki do samozapłonu biogazu. W określeniu
parametrów konstrukcyjnych oraz regulacyjnych zapewniających spełnienie warunków
samozapłonu tej dawki mogą być pomocne programy CFD, takie jak AFL Fire, który
posłużył do przykładowych symulacji.
2.Opis programu
Do badań symulacyjnych zastosowano program AVL Fire v2010, który jest pierwszym
programem do numerycznych obliczeń przepływów CFD (Computational Fluid
Dynamics) z prostym interfejsem użytkownika. Symulacja samego procesu wtrysku
opiera się na modelu przepływu wielofazowego i wymaga numerycznego rozwiązania
równań zachowania masy i pędu dla fazy gazowej i ciekłej jednocześnie. Praktycznie
wszystkie obliczenia inżynierskie rozpylenia cieczy bazują na metodzie statystycznej
DDM (Discrete Droplet Method). Metoda DDM polega na rozwiązaniu równań
różniczkowych między innymi pędu, ruchu, czy transferu masy dla pojedynczych
kropel, zgrupowanych w pakiety (z ang.: parcel). Pakiet to zbiór identycznych, nie
oddziałujących między sobą kropel o takich samych wartościach wielkości fizycznych je
Rys. 2. Ilustracja podziału strugi
paliwa na pakiety.
Rys. 1. Ilustracja dyskretyzacji
rozkładu rzeczywistego.
prof. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
dr inż. Janusz Januła, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska,
3
inż. Maciej Kintop, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
1
2
145
opisujących. Jeden element pakietu reprezentuje stan wszystkich w nim zawartych. Na
poniższych rysunkach przedstawiono interpretację metody DDM.
Pakiety kropel wprowadzane są do przepływu z warunkami początkowymi- położeniem,
rozmiarem, prędkością, i zawartą w nich liczbą cząsteczek. Program 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. Gaussa . Proces rozpylenia strugi paliwa jest obliczany w odrębnych
pod modelach. Wymiana pędu między fazą ciekłą a gazową, rozdrobnienie kropel na
wskutek 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.
Program Fire może służyć do wielu zadań związanych z zagadnieniami przepływu. Aby
zamodelować komorę spalania o zmiennej objętości należy uprzednio stworzyć model
denka tłoka i cylindra, a po wczytaniu do programu stworzyć na ich podstawie siatki
obliczeniowe. Siatkę modelu użytego do badań przedstawiono na rysunku 3.7. W
miejscach, gdzie szczegółowość odwzorowania kształtów jest bardzo ważna stosuje się
funkcję mesh refinement, działającą podobnie do metody zagęszczania siatki z
programów MES (Metoda Elementów Skończonych). Do odwzorowania zmiennej
objętości skokowej silnika niezbędne jest wykorzystanie siatki ściśliwej (o zmiennej
odległości sąsiednich węzłów), pozostałe są modelowane za pomocą siatek
nieodkształcalnych (odkształcalność głowicy, tłoka i cylindra pomija się). Dla
przyspieszenia obliczeń najlepiej jest wykorzystać symetrię komory spalania i podzielić
ją na obszary, dla których będzie się rozpatrywać wtrysk paliwa przez tylko jeden otwór
wtryskiwacza.
3. Dane wejściowe do badań symulacyjnych
Porównawcze badania
symulacyjne przeprowadzono dla
silnika spalinowego
Cummins-B6T o pojemności skokowej 5883 cm3 i otwartej komorze spalania. Dane
techniczne silnika, widok z góry na tłok, siatkę obliczeniową oraz charakterystykę
silnika przedstawiono na rysunkach 3-6:
Rys. 3. Dane techniczne silnika Cummins B6T.
Rys. 4. Widok z góry na otwartą
komorę spalania w denku tłoka.
Rys. 5. Siatka obliczeniowa komory spalania.
Rys. 6. Charakterystyka silnika.
146
W oparciu o charakterystyki silnika obliczono wielkość pilotującej dawki paliwa dla
prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego, a jej zmiany w zakresie 100,
50, 30 i 10% wraz z kątem wyprzedzenia zapłonu posłużyły jako zmienne badań
symulacyjnych.
Jako parametry wejściowe do badań symulacyjnych przyjęto:
a. Prędkość obrotowa silnika : n= 1600 obr./min.
b. Średnica otworu wtryskiwacza paliwa: d= 0,2 mm
c. Kąt trwania wtrysku paliwa : 2o oraz 5o OWK
d. Nominalna dawka paliwa: q= 7,877x10 -5 g/cykl
e. Kąt wyprzedzenia wtrysku: 5o,8o oraz 11o OWK
f. Ciśnienie i temperatura na początku suwu sprężania: p=120000Pa,
T= 330K.
4. Wybrane wyniki porównawczych badań symulacyjnych
Na wykresach (rys. 7) a-c przedstawiono zależność średniego ciśnienia spalania oraz
średniej temperatury w komorze spalania od wielkości dawki pilotującej w funkcji kąta
obrotu wału korbowego dla następujących danych wejściowych:
a. Kąt wyprzedzenia wtrysku: 5o OWK
b. Kąt trwania wtrysku: 5o OWK
c. Prędkość obrotowa silnika n=1600 obr/min
Rys. 7. a-c. Zależność średniego ciśnienia spalania oraz średniej temperatury w
komorze spalania od wielkości dawki pilotującej w funkcji kąta obrotu wału korbowego.
Z analizy przebiegów ciśnienia oraz temperatur wynika, ze w zakresie zmian dawki
paliwa 10-100 % maksymalne ciśnienie oraz maksymalna temperatura w komorze
spalania wzrasta dwukrotnie.
Na rysunku 8 a-b oraz 9 a-b przedstawiono przebieg średniej temperatury oraz średniego
ciśnienia w funkcji kąta obrotu wału korbowego dla zmiennych parametrów
regulacyjnych oraz dawki 10 i 30% wartości nominalnej, przy czym na wykresie 8 a-b
zawarto dodatkowo wyniki zmniejszenia czasu trwania wtrysku do 2 o OWK (czwarta
krzywa na wykresie).
Na rysunkach 9 a-b oraz 10 a-b przedstawiono rozkład temperatury w komorze spalania
dla dawki pilotującej 10% oraz kąta obrotu wału odpowiadającego szczytowej wartości
temperatury lokalnej całego obiegu.
147
a. Kąt
Kąt wyprzedzenia
wyprzedzenia
a.
oo
wtrysku: 5,
5, 8,
8, 11
11 OWK
OWK
wtrysku:
b. Kąt
Kąt trwania
trwania wtrysku:
wtrysku: 22oo
b.
oraz 55oo OWK
OWK
oraz
c. Prędkość
Prędkość obrotowa
obrotowa
c.
silnika n=1600
n=1600 obr/min.
obr/min.
silnika
d. Dawka
Dawka paliwa
paliwa10%
10%
d.
wartości nominalnej
wartości nominalnej
.
Rys. 2.
8.a-b.
a-b.Przebieg
Przebieg
średniej
temperatury
i średniego
Wykr.
średniej
temperatury
i średniego
ciśnienia dlaciśnienia
zmiennego dla
kąta wyprzedzenia wtrysku
i
dawki
paliwa
10%.
wyprzedzenia wtrysku i dawki paliwa 10%.
zmiennego kąta
a. Kąt wyprzedzenia
o
a. Kąt wyprzedzenia
wtrysku:
wtrysku: o5, 8, 11 OWK
o
5, 8, 11 OWK
b. Kąt trwania wtrysku: 5 o
b. Kąt trwania wtrysku: 5
OWK
c.OWK
Prędkość obrotowa
c. Prędkość
silnika
n=1600obrotowa
obr/min.silnika
d.n=1600
Dawka obr/min.
paliwa 30%
d. Dawka
paliwa 30% wartości
wartości
nominalnej
. nominalnej
Rys. 9.
Przebieg
średniej
temperatury
i średniego
Wykr..
3. a-b.
a-b. Przebieg
średniej
temperatury
i średniego
ciśnienia dlaciśnienia
zmiennegodla zmiennego kąta
kąta wyprzedzenia wtrysku
i
dawki
paliwa
30%.
wyprzedzenia wtrysku i dawki paliwa 30%.
a.
Kąt
wyprzedzenia
o
wtrysku: 8 OWK
o
b. Kąt trwania wtrysku: 2
OWK
c. Prędkość obrotowa
silnika n=1600 obr/min.
T=2355K
Rys. 9. a-b Rozkład temperatury w komorze spalania dla dawki 10% wartości nominalnej
a.
Kąt
wyprzedzenia
o
wtrysku: 8 OWK
o
b. Kąt trwania wtrysku: 5
OWK
c.
Prędkość
obrotowa
silnika n=1600 obr/min.
.
T=2235K
Rys. 10. a-b Rozkład temperatury w komorze spalania dla dawki 10% wartości nominalnej
148
Z analizy rozkładu temperatur w komorze spalania silnika wynika, że poprzez wzrost
kąta trwania wtrysku paliwa można uzyskać wzrost temperatury lokalnej w komorze
spalania co może mieć istotny wpływ na warunki zapłonu paliwa gazowego.
5. Wnioski
a. Badania symulacyjne wykazały, że zastosowanie dawki pilotującej ON jest dobrym
narzędziem do inicjacji procesu zapłonu paliw gazowych jak biogaz.
b. Dobór parametrów regulacyjnych takich jak kąt trwania wtrysku oraz kąt
wyprzedzenia zapłonu dawki pilotującej stanowiącej 10% dawki głównej umożliwia
wydzielenie w procesie spalania ilość ciepła niezbędnej do osiągnięcia temperatury
samozapłonu paliwa gazowego jak biogaz. Najlepsze warunki osiąga się przy
zwiększeniu kąta wyprzedzenia zapłonu (Rys 2 i 3), oraz przy skróceniu kąta jego
trwania (Rys. 7 i 8)
c. Uzupełnienie badań symulacyjnych stanowić powinny badania silnikowe w aspekcie
dopuszczalnych obciążeń cieplnych wtryskiwacza nie powodujących zapiekania
końcówki wtryskiwacza w komorze spalania
Literatura
[1]
Stanisław W. Kruczyński, Grzegorz Pawlak, Janusz Januła, Maciej Kintop,
„Porównawcze obliczenia symulacyjne powstawania NOx i CO przy spalaniu ON
i OR w programie AVL Fire”
[2]
Kazimierz Baczewski, Tadeusz Kałdoński; „Paliwa do silników o zapłonie
samoczynnym”; WKŁ 2008
[3]
Marek Brzeżański, Zdzisław Juda „Napędy hybrydowe, ogniwa paliwowe
i paliwa alternatywne” WKŁ 2010
[4]
Materiały szkoleniowe AVL; „AVL Fire: Spray”
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki obliczeń symulacyjnych, wykonanych w programie
AVL Fire, dotyczących mechanizmu wtrysku oleju napędowego do komory spalania
silnika o zapłonie samoczynnym. Zawarta została również analiza wyników symulacji w
dziedzinie przebiegów ciśnień oraz rozkładu temperatur w zależności od kata
wyprzedzenia wtrysku ,kata trwania wtrysku oraz wielkości dawki pilotującej oraz
sformułowano wstępne wnioski na temat doboru parametrów regulacyjnych procesu
wtrysku dawki pilotującej oleju napędowego.
Słowa kluczowe: wtrysk, symulacja, AVL, olej rzepakowy, olej napędowy
Abstract
In this paper have been presented some of outputs from simulation calculations
performed with AVL Fire software about diesel fuel injection into combustion chamber
process of an self ignited internal combustion engine. This paper contains also an
analysis of outputs of these calculations in the field of combustion chamber pressure
graphs and temperature field distribution depending on injection timing and volume of
fuel pilot dose. Conclusions about choice of injection timing and pilot fuel dose have
been expressed.
Key words: injection, simulation, AVL, rapeseed oil, diesel fuel
„Artykuł został opracowany w ramach projektu badawczego Nr: 5030E!”
149