Расчет смесеобразования и сгорания в дизеле

Краткое изложение основных положений методики расчета.

d42gs_an.gif (7195 bytes)

prevgray.gif (1301 bytes) home.gif (1299 bytes) english.gif (2062 bytes) nextgray.gif (1360 bytes)

     Смесеобразование и сгорание в камере сгорания дизеля рассчитываются по методу профессора Разлейцева Н.Ф. В дальнейщем метод был доработан к.т.н. Кулешовым А.С.
       В расчетной модели тепловыделения выделяются 4 периода, отличающиеся физико-химическими особенностями и факторами, лимитирующими скорость процесса: период задержки воспламенения, период начальной вспышки, период управляемого сгорания на участке топливоподачи после вспышки, период диффузионного горения после окончания топливоподачи.

Распределение топлива в дизельной струе.

Расчетная схема дизельной струи.

1 - Разреженная оболочка струи.
2 - Уплотненное осевое ядро.
3 - Уплотненный передний фронт.
4 - Разреженная оболочка пристеночного потока.
5 - Уплотненное ядро пристеночного потока.
6 - Передний фронт пристеночного потока.
7 - Конусообразное осевое ядро пристеночного потока.

При расчете выделяются 2 участка развития струи: начальный участок пульсирующего порционного развития; основной участок кумулятивного развития. В процессе движения струи рассчитываются доли топлива, попавшего в характерные зоны с разными условиями испарения и горения, включая пристеночные зоны на стенке КС, на гребне поршня, на зеркале и крышке цилиндра.

Траектории движения свободных струй, а также движение образованных ими пристеночных потоков рассчитываются с учетом переносного воздействия тангенциального вихря, задаваемого вихревым числом Н, а также углов встречи свободных струй со стенками.

Пример: Расчет развития топливных струй в камере сгорания дизеля СМД.

Результаты расчета развития топливных струй
cmd_anim.gif (24432 bytes)

Распределение топлива по характерным зонам (струя ?1)
cmd_sigm.gif (4468 bytes)
cmd_exp.gif (6195 bytes)
Экспериментальная кинограмма развития пристеночных потоков

Обозначения:
Оболочка - Разреженная оболочка струи и пристеночного потока.
Яд. струи - Ядро свободной струи.
Яд. стенк - Ядро пристеночного потока.
Крышка_ц - Топливо, осевшее на крышке цилиндра.
Цил. зерк - Топливо попавшее на зеркало цилиндра.

В данном примере приведено сравнение результата расчета движения струй топлива с экспериментальными кинограммами развития пристеночных потоков в камере сгорания тракторного дизеля СМД (n=1800 1/мин, Ре=7.7 Бар). Экспериментальные данные получены ПО ГСКБД. Закрутка заряда в камере сгорания в ВМТ характеризуется вихревым числом Н=3.15. На графиках показано сколько топлива в каждый момент времени попало в характерные зоны каждой из струй на протяжении всего процесса впрыска.

Испарение распыленного топлива в объеме и на стенках КС.

В период топливоподачи и развития топливных струй скорость сгорания лимитируется главным образом скоростью испарения топлива. В свободно развивающейся дизельной струе зонами интенсивного теплообмена и испарения распыленного топлива являются передний фронт и оболочка струи. В высокоскоростном и плотном осевом потоке прогрев и испарение капель незначительны.
При набегании струи на стенку скорость испарения топлива, скопившегося в переднем фронте, резко снижается до минимума в момент завершения укладки фронта на стенку. Это вызвано более низкой по сравнению с газовым зарядом температурой стенки, уменьшением обдува капель, уплотнением капельно-газовой смеси на стенке, слиянием и перемешиванием авангардных капель с подлетающими к стенке более холодными каплями. После укладки фронта на стенку двухфазная смесь начинает растекаться по стенке за пределы конуса струи. Скорость испарения топлива в пристеночной зоне увеличивается, хотя и остается меньшей, чем в объеме камеры. При растекании по гребню поршня часть топлива может проникнуть в надпоршневой зазор, попасть на крышку и стенки цилиндра.
Скорость испарения топлива, поступившего в каждую из названных зон интенсивного теплообмена, равна сумме скоростей испарения отдельных капель. Испарение каждой капли до и после воспламенения топлива подчиняется закону Срезневского.
Топливная аппаратура форсированных дизелей обеспечивает довольно однородное распыливание топлива, особенно на основном участке впрыскивания. Поэтому расчет испарения топлива можно проводить по капле среднего диаметра d32.
Для расчета скорости испарения определяются константы испарения топлива в различных зонах струи. Оценка констант производится по известной зависимости, куда входят:
- критерий Нуссельта для процессов диффузии;
- коэффициент диффузии паров топлива, отнесенный к градиенту парциальных давлений;
- давление насыщенных паров;
- плотность жидкого топлива;
- характерные давления и температуры, в том числе температуры стенок на которые попало топливо.

Сгорание распыленного топлива.

По окончании периода задержки самовоспламенения происходит взрывное распространения пламени по активированной смеси в оболочке струи. Первый максимум скорости тепловыделения зависит в основном от доли цикловой порции топлива, испарившейся за период задержки самовоспламенения, степени активации паров, скорости испарения топлива в период вспышки, т. е. от массы впрыснутого топлива, качества его распыливания и макрораспределения, времени испарения, физикохимических, термо- и газодинамических характеристик горючей смеси.

После начальной вспышки и выгорания паров топлива, образовавшихся за период задержки скорость тепловыделения определяется, в основном, скоростью испарения топлива и скоростью догорания продуктов неполного сгорания в объеме цилиндра, которая в свою очередь зависит от от средней концентрации неиспользованного кислорода

В период диффузионного горения, после окончания впрыска и завершения развития струй происходит сначала резкое, а затем замедленное снижение скорости сгорания. Это связано с уменьшением массы невыгоревшего топливи и с лимитирующей ролью процесса диффузии в этот период, пламя распадается на множество очагов вокруг локальных скоплений топлива в ядрах струй. Если значительная часть топлива распределяется на стенках камеры в поршне, особенно на стенках вблизи крышки цилиндра, то в интервале 15-30 град. после ВМТ на характеристиках тепловыделения наблюдается еще один небольшой пик. Это связано с возмущением и разрушением квазиламинарного пристеночного слоя при резком удлиннении газового столба над соответствующей поверхностью.

Пример: Расчет скорости тепловыделения в тракторном дизеле СМД.

cmd_dxdt.gif (4798 bytes) Сопоставление расчетной и экспериментальной зависимостей скорости тепловыделения dx/df от угла поворота коленчатого вала ДВС.

n=1800 1/мин,
Ре=7.7 Бар.

Представленная методика позволяет проводить расчет сгорания в двигателях как с объемным , так и с пленочным смесеобразованием.

Пример: Расчет смесеобразования и сгорания в среднеоборотном судовом дизеле на режиме полной мощности.

Визуализация смесеобразования и сгорания в камере сгорания
d42_pic.gif (9976 bytes)

Обозначения:
Environ. - Разреженная оболочка струи и пристеночного потока.
Jet Core - Ядро свободной струи.
Pst.Wall - Ядро пристеночного потока.
Cyl.Head - Топливо, осевшее на крышке цилиндра.
Cyl.Wall - Топливо попавшее на зеркало цилиндра.

Пример: Расчет смесеобразования и сгорания в высокооборотном автомобильном дизеле на режиме полной мощности.

Визуализация смесеобразования 
zil645pi.gif (5928 bytes)
Распределение топлива по зонам
zil645gr.gif (4414 bytes)
Обозначения:
Environ. - Разреженная оболочка струи и пристеночного потока.
Jet Core - Ядро свободной струи.
Pst.Wall - Ядро пристеночного потока.
Cyl.Head - Топливо, осевшее на крышке цилиндра.
Cyl.Wall - Топливо попавшее на зеркало цилиндра.

Примеры расчета сгорания в сопоставлении с результатами экспериментов для разных режимов работы дизеля грузовика КамАЗ представлены на рисунках другой страницы (все расчеты проведены при строго идентичных значениях настроечных коэффициентов).

prevgray.gif (1301 bytes) home.gif (1299 bytes) e-mail.gif (1629 bytes) nextgray.gif (1360 bytes)