РК-модель:
Расчет смесеобразования и сгорания в дизеле

      Для расчета смесеобразования и сгорания в дизелях в программе используется РК-модель, в основе которой лежит расчетный метод, предложенный в начале 90-х годов профессором Н.Ф.Разлейцевым и в дальнейшем доработанный А.С.Кулешовым. РК-модель учитывает:

• особенности характеристики впрыска, включая многофазный впрыск,
• мелкость распыливания топлива,
• ориентацию струй в камере сгорания,
• динамику развития топливных струй,
• взаимодействие струй с воздушным вихрем и стенками.

     По своей идеологии, РК-модель близка к модели Hiroyasu, хотя имеет существенные отличия, главным образом связанные с более детальным рассмотрением взаимодействия топливных струй со стенками и между собой. См. подробнее...

      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.

Обозначения: 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.

            Рис.1 Расчетная схема дизельной струи.

      При расчете выделяются 2 участка развития струи:
- начальный участок пульсирующего порционного развития;
- основной участок кумулятивного развития. См. подробнее...

      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 с учетом величины углов встречи свободных струй со стенками.

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

Рис. 2. Результаты расчета смесеобразования в цилиндре тракторного дизеля СМД n= 1800 мин^-1, Ne = 54 кВт.

      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.
Рис.3 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.

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

Визуализация смесеобразования

Распределение топлива по зонам

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.

      Можно ознакомиться с примерами расчета смесеобразования и сгорания в цилиндрах дизелей разного класса и на разных режимах:

• Дизель грузовика КамАЗ-7405;
• Дизель ЯМЗ-238Д;
• Тепловозный дизель Д49.

Все расчеты указанных приеров проведены при строго идентичных значениях настроечных коэффициентов.

Возврат в раздел "Математические модели"