Моделирование экологических характеристик поршневых двигателей с искровым зажиганием на основе термодинамических и кинетических моделей фронтального и объёмного горения

Разработана базовая математическая модель газового двигателя, адекватно описывающая основные физические и химические характеристики процессов сгорания топливно-воздушной смеси и образования вредных веществ в продуктах сгорания двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. В работе предложены способы оценки экологических характеристик газового двигателя на основе численного моделирования химических процессов в продуктах сгорания с учётом термодинамического равновесия продуктов сгорания или с использованием детального кинетического механизма.

Целью данной работы является оптимизация рабочего процесса газового ДВС на основе численного моделирования с учётом распространения турбулизированного фронта пламени на основе уравнений сохранения энергии и массы и химических превращений продуктов сгорания.

Моделирование рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания (ДВС) занимает одно из ведущих мест в практике инженерных расчётов. Существующие подходы, как правило, основаны на эмпирических формулах горения заряда (типа закона И.И. Вибе) обычно в однозонном или двухзонном приближении состояния рабочего тела. При этом состояние и состав продуктов сгорания моделируется на основе термодинамического равновесия лишь в нескольких точках индикаторной диаграммы. Поэтому построение адекватных физических моделей и создание по ним компьютерных программ для решения широкого круга экологических, экономических и технических задач, связанных с дальнейшим совершенствованием ДВС, по-прежнему является актуальными задачами.

Предлагаемые подходы (с оценкой степени новизны): разработка математической модели и рабочей программы (программного продукта), которые описывают состояние рабочего тела, включающее распространение турбулизированного сферического фронта пламени в условиях реальной геометрии камеры сгорания и цилиндра двигателя, и химическое состояние компонентов газовой смеси в продуктах сгорания в многозонном приближении (с учетом Махе-эффекта) путем термодинамического равновесия или с привлечением детального химического механизма (ДКМ).

Методы

1. Анализ источников (в т.ч. и литературы) по тематике моделирования рабочего процесса двигателя, разработка концепции, физико-химических и математических моделей и их научные публикации.

2. Создание компьютерной программы для проектирования рабочего процесса двигателя, её отладка, проведение численных исследований, оптимизация процессов и разработка практических рекомендаций. Научные публикации и выступления на конференциях с докладом о результатах работы.

3. Внедрение разработанной компьютерной программы в учебный процесс ВУЗов профиля энергомашиностроения (в т.ч. АлтГТУ). Использование разработанного продукта научно-исследовательскими и промышленными организациями отрасли двигателестроения.

Ресурсное обеспечение: лабораторная база кафедры ДВС АлтГТУ; гранты от Росмолодежи, программы «УМНИК» ФСРМФП в НТС, администрации г. Барнаула, Фонда им. В.И. Вернадского.

Создаваемая математическая модель и компьютерная программа являются полностью неэмперическими и моделируют распространение турбулизированного фронта пламени в условиях реальной геометрии камеры сгорания и цилиндра двигателя. При этом состояние и состав продуктов сгорания моделируется в многозонном приближении (до 10 зон для учета градиента температуры порядка 800-1000 К из-за различной эволюции этих зон в процессе сгорания) методами химической термодинамики (химического равновесия) или с помощь детального кинетического механизма (ДКМ) на каждом шаге численного интегрирования системы дифференциальных уравнений рабочего процесса (порядка 10000 раз в каждой зоне продуктов сгорания) вплоть до момента открытия выпускного клапана.

Анализ результатов расчета по созданной математической модели показывает, что результаты численного моделирования удовлетворительно согласуются с известными данными других авторов, особенно при моделировании в рамках многозонных математических моделей в продуктах сгорания. Это свидетельствует о надежности сформулированной математической формулировки задачи моделирования рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием и разработанной компьютерной программы.

Разработанный программный продукт даёт возможность проводить предварительную оптимизацию режимных, регулировочных и конструктивных параметров двигателя на этапе проектирования и быстро анализировать влияние этих изменений на оценочные параметры работы двигателя. Такие подходы к созданию двигателей сокращают период разработки новой техники, в результате математического моделирования объём экспериментальных работ значительно сокращается, что дает существенный экономический эффект при необходимом улучшении экологических характеристик.

Программа может быть использована ВУЗами профиля энергомашиностроения (например, такие специальности как «Энергомашиностроение», «Тепловые двигатели», «Теплофизика и теоретическая теплотехника»), научно-исследовательскими организациями двигателестроения и конструкторскими бюро и промышленными предприятиями двигателестроительной отрасли.

1. Кавтарадзе, Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. – М.: Изд-во МГТУ, 2008. – 720 с.
2. Чесноков, С.А. Химический турбулентный тепломассообмен в двигателях внутреннего сгорания. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. – 500 с.
3. Зельдович, Я.Б. Математическая теория горения и взрыва. – М.: Наука, 1980. – 478 с.
4. Варнатц, Ю. Горение: Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты. – М.: Физматлит, 2003. 352 с.
5. Басевич, В.Я. Моделирование задержек самовоспламенения метановоздушных смесей в ДВС // Физика горения и взрыва. 1994. Т. 30, № 21. С. 7-14.
6. Звонов, В.А. Анализ механизмов образования оксидов азота при сгорании углеводородных топлив в камере сгорания ДВС // Приводная техника. 2004. № 5. С. 27-34.
7. Fenimore, C.P. Formation of nitric oxides from fuel nitrogen in ethylene Flames // Combustion and Flame. 1972. Vol. 19. No. 2. P. 289-296.

There is designed a basic mathematical model of a gas engine that adequately describes the basic physical and chemical characteristics of the processes of combustion of the fuel-air mixture and the formation of harmful substances in the combustion products of the combustion engine with spark ignition. The paper presents a method for evaluating the environmental performance of the gas engine based on numerical simulation of chemical processes in the combustion products taking into account the thermodynamic equilibrium of the combustion products or using a detailed kinetic mechanism.