РАЗДЕЛ 2
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И СГОРАНИЯ ПРИ НЕПОСРЕДСТВЕННОМ
ВПРЫСКИВАНИИ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЯХ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
Протекание процессов смесеобразования при НВТ в КС сопровождается рядом сложных
физических и химических явлений (взаимодействием частиц топлива с воздухом,
подогревом частиц топлива, испарением топлива с поверхности капель, распадом
молекул углеводородов, теплообменом между рабочим телом и стенками надпоршневой
полости и т.п.). Характер протекания этих процессов зависит от характеристик
потоков рабочего тела в факеле топлива. Процессы смесеобразования
предопределяют протекание процессов сгорания и в конечном счете уровень
мощностных и экономических показателей двигателя, выбросы ВВ с ОГ.
Математическое моделирование процессов смесеобразования в двигателях с ИЗ и
НВТ, как и в дизелях отличается сложностью при значительной схематизации
процессов. Вместе с тем применение “упрошенных” методов математического
моделирования процессов смесеобразования и сгорания позволяет значительно
сократить экспериментальные исследования, оценить их качество и с определенной
степенью достоверности влиять на процессы смесеобразования и сгорания того или
иного фактора.
2.1. Анализ методов исследования движения заряда в надпоршневом объеме
В двигателях с полуразделенной КС движение заряда может быть направлено в
радиальном, осевом и тангенциальном направлении. Соотношения между значениями
радиальной, осевой и тангенциальной скорости потока газа зависит от формы,
размеров и положения КС.
Движение заряда в радиальном направлении к моменту закрытия впускного клапана
обычно принимается пренебрежимо малым, а в осевом направлении заряд
предполагается движущимся со скоростью, изменяющейся линейно по отношению к
скорости поршня. Тангенциальное течение в известных методах расчета
определяется исходя из закона сохранения углового импульса заряда, вошедшего
через впускной клапан [48, 49]. Поля давления, температуры и характеристик
турбулентности в цилиндре перед началом такта сжатия предполагаются
однородными. Вместе с тем тангенциальная закрутка заряда приводит к
возникновению радиальных градиентов давления и в начале процесса сжатия [50].
При наличии и отсутствии тангенциального вихря и прочих равных условиях имеют
место качественно разные картины течения в КС: изменяется как число
макровихрей, так и направление их вращения. Характерную картину течения газа в
КС с изменением поля давлений в цилиндре к моменту закрытия впускного клапана
при наличии закрутки заряда представлено в работе [50]. Моделирование
внутрицилиндровой газодинамики заряда на такте впуска с использованием
двухмерной осесимметричной постановки задачи описано в работе [52].
Одна из трудностей, возникающих при моделировании процесса впуска, является
адекватное описание перемещения струи заряда поступающего в цилиндр. Изменение
средней по сечению струи скорости заряда в клапанной щели в процессе впуска
определяется из уравнения неразрывности для несжимаемой жидкости. Значения этой
скорости являются основой для расчета ее изменения по длине струи, с учетом
известных соотношений для затопленных струй кольцевого сечения [53].
Для проверки адекватности предложенной модели реальным процессам использованы
данные экспериментальных исследований на одноцилиндровой модельной установке с
дисковой КС и оссиметричным положением впускного клапана [54, 55].
Разработанная модель позволяет оценивать и прогнозировать параметры потоков
заряда в процессе впуска до момента закрытия впускного клапана. Модель, в
принципе, может быть применена и для двухмерной модели течения газов в цилиндре
на такте сжатия.
Фирма AVL (Австрия) для оценки характера движения заряда в цилиндре двигателя в
статических условиях использует среднее значение отношения частоты вращения
крыльчатки анемометра к частоте вращения коленчатого вала. Крыльчатка для
измерения степени “закрутки” заряда использовалась и в исследованиях фирм MAN,
Fiat, Rikardo и др. При этом интенсивность вихря при положении поршня в НМТ
оценивается интегральной за такт впуска угловой скоростью потока [56].
К недостаткам способа следует отнести необходимость использования анемометра,
сложностью его установки в надпоршневой полости.
Моделирование перетекания воздуха в надпоршневой полости, значений скоростей
перетекания воздуха позволяет заметно сократить затраты времени на доводку
рабочих процессов и в двигателях с расслоением ТВЗ. С приближением поршня к ВМТ
между поверхностями головки цилиндра и днища поршня образуется щель, из которой
рабочее тело с возрастающей скоростью вытесняется в направлении основной
полости, создавая интенсивный вихрь. Интенсивность же вихря в цилиндре,
организованного при впуске, в процессе сжатия уменьшается вследствие трения
потоков о стенки цилиндра, плоскости головки и днища поршня, перетекания заряда
из надпоршневого пространства в КС. Влияние перечисленных факторов на
интенсивность вихря в КС к концу такта сжатия [57, 58], учитываются в
эмпирических зависимостях рядом коэффициентов [58, 59].
Расчетные значения скорости вращения заряда в КС достаточно близки к
экспериментальным данным. Поэтому расчетные данные можно использовать для
оценки скорости вращения заряда при исследовании и доводке рабочих процессов в
двигателях с цилиндрической КС [57].
В работе В. М. Володина и Б. Н. Давыдкова [60] рассмотрено перетекание газа из
надпоршневого пространства в КС и в обратном направлении. При этом
предполагается, что можно пренебречь пограничным слоем, вихревыми ядрами,
силами вязкостного трения [6
- Київ+380960830922