Источник: Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов. - М.: Изд-во ЛегионАвтодата, 2011. - 344 с.

ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ТОПЛИВОПОДАЮЩЕЙ

АППАРАТУРЫ

КАК ИНСТРУМЕНТ ЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Компьютерная оптимизация рабочего процесса и ТПА позволяет резко

ускорить и удешевить трудоемкий процесс доводки дизелей, сократить число занятых сотрудников, добиться лучших результатов благодаря анализу значительно большего числа вариантов. Ключевыми вопросами здесь являются достоверность математических моделей, организация поиска оптимальных решений, а также доступность потенциальным пользователям программного обеспечения, возможность его квалифицированного использования.

Не случайно при рассмотрении проблем конструирования ТПА мы останавливаемся на программах расчета рабочего процесса. Обычный подход при формулировке технических требований к показателям функционирования ТПА базируется на опыте создания дизелей-прототипов и самой ТПА, сведений об аналогах и результатах их исследований, собственных, всегда ограниченных экспериментальных данных. В редких случаях, при работе специалистов с высочайшей квалификацией и большим опытом, относительно быстро удается достигнуть хороших результатов. К сожалению, до сих пор встречается и другой подход: простой перебор вариантов ТПА и принятие решений на основании результатов испытаний их на дизеле. В любом случае такие подходы, строго говоря, нельзя назвать научными, хотя бы только потому, что в лучшем случае, они связаны с индивидуумами – носителями знаний и опыта - и не позволяют в разумное время научить этой работе нового специалиста. Компьютерная оптимизация рабочего процесса позволяет формализовать работу по получению требований к показателям ТПА.

Более того, только совместная оптимизация рабочего процесса и ТП позволяет добиться наиболее высоких показателей дизеля в целом.

Современное программное обеспечение для моделирования и оптимизации рабочего процесса. Значительные усилия передовых научных центров сосредоточены на развитии технологии Computational Fluid Dynamic (CFD), реализующей трехмерное моделирование течения газа и впрыскиваемого топлива в цилиндрах и коллекторах ДВС. Рассматриваемые элементы двигателя разбиваются на большое количество ячеек (порядка 300 … тыс.), в каждой из которых решается система уравнений сохранения. В процессе расчета моделируются процессы испарения, сгорания и образования вредных веществ. Наибольшей популярностью пользуются программы:

KIVA (Los Alamos), FIRE (AVL), VECTIS (Ricardo), STAR-CD (Computational Dynamics Ltd.). Значительные усилия предпринимаются для организации расчета в них эмиссии сажи, NOx и CO. Однако утверждать, что эта задача решена, пока преждевременно. Достоверность результатов расчета, как правило, неудовлетворительна. Существенным недостатком CFD на сегодняшний день является трудоемкость расчетов и необходимость использования суперкомпьютеров. Время счета одного варианта составляет десятки, и даже сотни часов на очень мощных компьютерах. Подготовка данных квалифицированным специалистом для одного варианта расчета занимает несколько дней (5…15 и более дней для нового двигателя). Инженерная оптимизация процесса ДВС с расчетом сотен и тысяч вариантов конструкций пока невозможна, хотя эти программы с успехом используются для других целей, например, для доводки газовоздушного тракта ДВС.

Наряду с CFD традиционно существует и развивается другой подход термодинамический или феноменологический, использующий 0 - и 1- мерные представления. Мировыми лидерами популярности здесь являются программы BOOST (AVL), WAVE (Ricardo), GT-Power (Gamma Technologies).

Из отечественных разработок, доведенных до коммерческого исполнения, следует назвать программы ИМПУЛЬС и ВОЛНА (ЦНИДИ), а также ПК ДИЗЕЛЬ-2/4т (МГТУ им. Н.Э.Баумана). Конкурирующие между собой программы BOOST, WAVE и GT-Power представляют собой весьма совершенные разработки, в частности, для отработки газовоздушного тракта и подбора агрегатов наддува. Для работы такой программы достаточно процессора Pentium. Для расчета сгорания, эти программы используют методики, базирующиеся на уравнениях, предложенных еще в 1962 г. И.И.Вибе, или на более поздних, но аналогичных подходах. Все зарубежные программы позволяют пользователям подключать свои подпрограммы для расчета процесса сгорания. Но именно моделирование смесеобразования и сгорания представляет собой основную проблему при разработке таких программ. В лучшем случае, в перечисленных программах применяются расчетные методы, каким-либо образом учитывающие характеристику впрыска и мелкость распыливания, среднее расстояние от сопел до стенки и турбулизацию заряда в КС. В частности, в последней версии программы ИМПУЛЬС (ЦНИДИ) и ранних версиях программы ДИЗЕЛЬ (МВТУ им. Н.Э.Баумана) реализована методика расчета сгорания, опубликованная проф. Разлейцевым Н.Ф. в г. и являвшаяся в то время самой передовой из существующих. В американской программе GT-Power, в качестве дополнительной к модели Вибе, реализована модель сгорания проф. Хироясу (Hiroyasu), в которой рассматривается развитие свободной струи. Вопросы оптимального проектирования формы камеры сгорания, увязки направленности струй топлива с формой камеры в поршне и интенсивностью вихря, вопросы учета взаимодействия струй топлива со стенками и между собой в настоящее время реализованы только в новой версии ПК ДИЗЕЛЬ-2/4т (МГТУ им. Н.Э.Баумана). В основу расчетного метода легли уравнения, полученные проф. Н.Ф. Разлейцевым в начале 90-х годов. Этот метод, в дальнейшем доработанный А.С. Кулешовым, позволяет рассчитать движение струй впрыскиваемого топлива в завихренном заряде камеры сгорания, развитие пристеночных потоков топлива в зависимости от условий соударения топливных струй со стенками и переносного влияния вихря, взаимодействие пристеночных потоков между собой. Метод показывает очень хорошее совпадение с результатами экспериментов, не требует специальной настройки и позволяет исследовать влияние на рабочий процесс различных параметров: формы камеры сгорания, направленности топливных струй, интенсивности вихря, диаметра и числа сопловых отверстий форсунки, характеристики впрыска. Модель сгорания дополнена методикой расчета эмиссии окислов азота и сажи. Программа ДИЗЕЛЬ-2/4т имеет развитый пользовательский интерфейс, и прошла проверку на двигателях разной размерности, быстроходности и назначения.

Благодаря использованию нового метода расчета сгорания, ПК ДИЗЕЛЬ-2/4т позволяет решать принципиально задачи, непосильные для других программ и незаменимые при проектировании или подборе ТПА. В состав ПК ДИЗЕЛЬ-2/4т включена программа визуализации процесса смесеобразования, которая отображает в виде мультфильма результаты расчета развития топливных струй и образованных струями пристеночных потоков.

Ее использование облегчает проведение оптимального проектирования формы камеры сгорания и выбор направления топливных струй во всех плоскостях с учетом интенсивности вихревого движения заряда. Анализ наглядного изображения подвижной картины развития топливных струй при проведении компьютерной оптимизации смесеобразования позволяет контролировать количество топлива попадающего в характерные зоны КС, и добиваться его наивыгоднейшего распределения.

Высокое быстродействие ядра ПК ДИЗЕЛЬ-2/4т позволило авторам внедрить в нее процедуры для решения оптимизационных задач с использованием методов нелинейного программирования, что радикальным образом увеличивает эффективность работы, снижая затраты времени на проведение численных экспериментов в десятки раз. ПК поддерживает работу с удаленными пользователями через Internet. Его описание, приведено на сайте МГТУ: http://www.bmstu.ru/facult/em/em2/diesel/d11rus. Ведущий разработчик – с.н.с. МГТУ А.С.Кулешов.

Оптимизацию рабочего процесса для целей выбора или проектирования топливной аппаратуры наиболее удобно проводить именно с использованием ПК ДИЗЕЛЬ-2/4т. На рис.1.9 приведен пример работы с ПК ДИЗЕЛЬт: расчет смесеобразования и сгорания тракторного дизеля СМД при n=1800 мин-1, рe=0,77 МПа, gц=0.08 г, вихревое отношение в ВМТ Н=3,15.

Сравнение результата расчета движения струй топлива с экспериментальной кинограммой развития пристеночных потоков в камере сгорания и сравнение кривых скорости тепловыделения, полученных расчетом и обработкой индикаторной диаграммы говорит об адекватности модели по учету влияния тангенциального вихря на движение топливных струй и образованных ими пристеночных потоков.

Известна современная тенденция уменьшения диаметров сопел и увеличения давления впрыска. Рис.1.10 иллюстрирует попытку улучшения показателей дизеля Д120 (2Ч10,5/12) за счет этих факторов. Из табл.1.1 следует, что в целом при уменьшении диаметра сопел с 0.3 мм до 0,22 мм результат отрицательный (сравнение двух первых столбцов).

а в б г Рис.1.9. Результаты экспериментальных и расчетных исследований дизеля СМД. Движение топливных струй и пристеночных потоков: а – расчет, б экспериментальная кинограмма ГСКБД; в – расчет распределения впрыснутого топлива по характерным зонам струи № 1; г - скорость тепловыделения dx/d скорость впрыска, доля выделившегося тепла Х [70] Несмотря на увеличение давления впрыска и мелкости распыливания, ввиду затянутого впрыска происходит неблагоприятное распределение топлива: 23.5% его оказывается в зонах пересечения пристеночных потоков, где низка скорость испарения (при соплах 0.3 мм в этих зонах только 1.7% топлива); доля топлива в разреженной оболочке (где наилучшие условия испарения) снижается на 5%; доля топлива в непересекающихся частях пристеночных потоков, где также неплохие условия испарения, составляет 17.5 % (при соплах 0.3 мм она достигает 37%). Т.е. при столь длительном впрыске струям недостаточно пространства для развития и они мешают друг другу.

Процесс сгорания затягивается, в результате вырос расход топлива и дымность. Снижение NOx, обусловленное некачественным сгоранием, нельзя считать достижением.

Таблица 1.1. Результаты исследования процесса дизеля Д с уменьшенным диаметром сопловых отверстий Камера сгорания, Штатн. КС, Штатн. КС, Штатн. КС, Оптим.КС, распылитель Этот пример хорошо иллюстрирует неэффективность частичной оптимизации и даже опасность попыток рационализации путем независимого изменения одного из параметров сложного и многосвязанного рабочего процесса дизеля. В связи с этим видится естественным, что изменение параметров ТП требуют сопряженной оптимизации параметров самого дизеля. На рис.1.10 представлены результаты расчета с измененным распылителем удельного расхода топлива, максимального давления в цилиндре, дымности и выбросов NOx, полученные методом двухфакторного эксперимента по параметрам дизеля: степени сжатия и УОВ.