Принцип работы инжекторный двигатель: Инжекторный двигатель: устройство, принцип работы, конструкция

1. Введение

В настоящее время одним из наиболее часто используемых в мире источников энергии являются топлива, полученные из нефти, такие как углеводороды, которые сжигаются с выделением кислорода, выделяющего большое количество тепловой энергии. Эта энергия может быть преобразована в механическую работу с помощью двигателей внутреннего сгорания [1]. Двигатель внутреннего сгорания — это устройство, которое позволяет получать механическую энергию из тепловой энергии, накопленной в жидкости в результате процесса сгорания [2].

Следует отметить, что в поршневых двигателях внутреннего сгорания (RICE) продукты сгорания составляют рабочую жидкость; это упрощает их конструкцию и обеспечивает высокую тепловую эффективность. По этой причине эти двигатели являются одной из известных единиц, генерирующих легкий вес, и, следовательно, фактически являются наиболее часто используемыми транспортными двигателями [3].

RICE работает по механическому циклу , состоящему из двух основных частей: первая — это замкнутый цикл, в котором выполняются процессы сжатия, сгорания и расширения, а вторая — открытый цикл, в котором рабочая жидкость возобновленный, известный как процесс газообмена и состоящий из процессов впуска и выпуска [4].Когда проводится исследование RICE, необходимо определить термодинамические свойства рабочей жидкости, а также количество смеси, которая поступает в цилиндр и покидает его [5].

Поток с характеристиками в двигателях с искровым зажиганием (SIE) или двигателях с воспламенением от сжатия (CIE) можно обобщить в соответствии с [6] следующим образом: переходный процесс в результате движения поршня, полностью турбулентный для всех цилиндров из-за скорости двигателя и размеры впускного канала, а также трехмерные из-за геометрии двигателя, которая также изменяется в течение цикла (контуры меняются со временем), создавая различные локальные поля скоростей.

Во время газообмена происходят процессы как регулятивных, так и инерционных явлений, а также нестабильность процессов, происходящих внутри двигателя. Изменение давления в цилиндрах на впуске и выпуске имеет сложный характер, поэтому аналитический расчет газообмена с учетом вышеупомянутых явлений довольно сложен и требует использования специализированных компьютерных программ, использующих коэффициенты, полученные экспериментально [ 1].

Основа для расчета нестационарной неизэнтропической характеристики потока входных и выходных каналов RICE и выбросов NO была установлена ​​в [7].Различные эмпирические корреляции для учета теплообмена во время процесса газообмена и для корректировки экспоненциального коэффициента числа Рейнольдса таким образом, чтобы сводить только к одному коэффициенту регулирования, рассматривались в [1,2,4 и 8].

Процедура, широко используемая как в экспериментальном, так и в теоретическом исследовании обтекания двигателей, заключается в анализе цикла двигателя при отсутствии сгорания, моделировании процесса сжатия-расширения и проведении измерений для двигателя, работающего в этом состоянии [5].

Во всех процессах рабочего цикла RICE происходит теплопередача к стенкам цилиндра, которая происходит с большей интенсивностью во время сгорания и расширения из-за достигнутых высоких температурных градиентов. Вощни [9] предложил уравнения для определения турбулентного конвективного теплообмена с учетом средней скорости газов в цилиндрах, а Аннанд [10] нашел корреляции для расчета мгновенных средних коэффициентов для турбулентного конвекционного теплообмена с использованием средней температуры газа и предложил корреляции для оценки излучения пламени, испускаемого в течение сгорания.Корреляции для конвективного теплообмена с учетом изменения поверхности и объема цилиндра при перемещении поршня были установлены в [11]. Компьютерная программа для расчета теплообмена в камере сгорания RICE с использованием моделей для учета турбулентности была представлена ​​в [12]. Универсальная корреляция для потока смеси в процессе впуска и выпуска, корректирующая коэффициенты чисел Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля, была предложена в [13].

В настоящем исследовании процесс сжатия считается адиабатическим и обратимым, но в реальных двигателях существует теплообмен между рабочей жидкостью, клапанами и стенками цилиндров.В начале сжатия температура жидкости ниже, чем температура поверхностей, которые окружают объем цилиндра, что приводит к увеличению температуры жидкости, некоторые мгновенные более поздние температуры становятся равными, а затем тепло передается от рабочей жидкости к стенкам. поэтому политропный коэффициент изменяется в процессе [1].

Сложность процесса сгорания в RICE из-за несвоевременного и неполного сгорания, диссоциации и теплообмена подтолкнула к разработке специальных методов проведения исследований.Адекватная реализация этого процесса имеет решающее значение с точки зрения вырабатываемой мощности и ее эффективности, оказывающих большое влияние на срок службы и надежность двигателя [14].

Были предложены различные модели для изучения процесса сгорания, такие как закон горения Вибе, применимый к SIE, и закон Ватсона, применимый к CIE [15]. Эти законы определяют сгоревшую массовую долю и выделяемое тепло в зависимости от угла поворота коленчатого вала. В этих моделях использовались физические константы, полученные экспериментально.Соотношение Rasselier и Withrow, а также законы горения позволяют получать давление сгорания на одну степень вращения коленчатого вала. Для количественной оценки задержки зажигания существует много корреляций, как предложено в [16], [17], [18] или [19]. Модели, предложенные в [15], [20] и [17], используются для расчета коэффициента горения, который отражает массовую долю сгоревшей фазы в предварительно смешанной фазе и диффузионной фазе.

Изменения объема можно оценить с помощью выражения, предложенного в [15], которое соотносит размеры двигателя: степень сжатия, смещенный объем, объем камеры сгорания, радиус кривошипа, длину шатуна и угол поворота коленчатого вала.Средняя температура в процессе сгорания может быть определена с использованием давления в цилиндре и уравнения идеального газа [4].

Методы расчета, используемые для получения равновесного состава и конечного состояния химических частиц, присутствующих в продуктах сгорания топливовоздушной смеси, хорошо известны и упоминаются в литературе [21, 22, 23 и 24]. Одной из наиболее полных программ, возможно, является код CEC НАСА-Льюиса [25 и 26], который рассматривает жидкие и газообразные химические вещества, чрезвычайно универсален и может использоваться для расчета термодинамического состояния, химического равновесия, теоретического поведения ракет и даже Шепмена-Жуге. детонационные свойства.

Компьютерные программы для расчета систем сгорания с постоянным давлением CHO и CHON, предполагающие, что продукты сгорания состоят из восьми и десяти химических частиц, были представлены соответственно в [27 и 28]. Код менее общий, чем код НАСА, ограниченный двенадцатью химическими видами систем сгорания CHON, специально предназначенными для применения в анализе процессов двигателей внутреннего сгорания, был опубликован в [29]. Программа для расчета систем сгорания с постоянным объемом CHON двенадцати видов, применимая для температур до 3400 K, была представлена ​​в [30].Программа, действительная для температур до 6000 К, которая может рассчитывать как постоянное давление, так и постоянное объемное сгорание для системы CHON восемнадцати химических видов, доступна в [31].

Функциональные свойства рабочей жидкости от ее температуры, давления и насыщенности могут быть определены путем применения термодинамических основных уравнений для идеальных газовых смесей с учетом массовых долей каждого компонента в смеси [32]. Также можно определить с помощью таких процедур, как FARG и ECP [33 и 34].В дополнение к изучению процесса сгорания были рассмотрены модели для определения выбросов NO как расширенного механизма Зельдовича. Причина использования этих моделей заключается в том, что конкретные константы скорости реакции для NO очень малы по сравнению со скоростью горения, поэтому предполагается, что все виды, присутствующие в продуктах, за исключением NO, находятся в химическое равновесие.

Процесс расширения производит механическую работу за счет энергии, выделяющейся при сгорании, и заканчивается, когда открывается выпускной клапан.В этот момент продукты выталкиваются из цилиндра первоначально при критической скорости в диапазоне от 500 до 700 м / с, а затем выталкиваются поршневым движением в направлении верхней мертвой точки [4 и 15]. Ближе к концу выхлопа во время перекрытия клапана часть свежей смеси выходит, способствуя выбросу несгоревших углеводородов и уменьшая эффективность двигателя.

Чтобы исследовать процесс газообмена, используя газодинамику для анализа потока газа в переходных процессах с переменным составом и переменными удельными нагревами, были использованы модели, такие как [35].

Для улучшения процесса газообмена мы должны продвинуть открытие впускного клапана (AIVO) и задержать закрытие выпускного клапана (DEVC). Из-за этого существует период, в течение которого оба клапана остаются открытыми одновременно, этот период известен как перекрытия клапанов , который помогает удалить столько газа и впустить столько воздуха или свежей смеси. Это происходит из-за разрежения, возникшего в непосредственной близости от впускного клапана, из-за эффекта выброса, вызванного движением сгоревшего газа через выпускной клапан; это будет способствовать повышению эффективности и мощности, производимой RICE [1].

Для изучения рабочего цикла RICE используются два метода исследования. Первый основан на получении данных экспериментальных испытаний, а второй основан только на математическом моделировании. Последний метод является более универсальным и уменьшает необходимые эмпирические данные исследования в зависимости от используемого метода расчета и наложенных упрощений. Однако для подтверждения результатов математического моделирования необходимы экспериментальные параметры, полученные в лаборатории [5]. Использование методов численного анализа в настоящее время значительно развилось и расширилось из-за увеличения скорости и вычислительной мощности современных компьютеров.Эти методы обеспечивают более высокую производительность, универсальны и могут обрабатывать больше информации, чем может быть измерено в экспериментальном тесте. Однако точность результатов, полученных при применении моделей, зависит от сделанных допущений.

Моделирование — это метод исследования, применяемый в RICE, его использование выросло за последние два десятилетия из-за снижения стоимости, получаемого за счет исключения или сокращения лабораторных тестов, так как они требуют большого количества повторяющихся тестов для получения соответствующих результатов, приносящих потери времени и денег при подготовке, калибровке, измерении, ремонте и замене испытательных двигателей.Проектировщики RICE должны создавать более эффективные двигатели из-за более высокой стоимости топлива и новых правил по выбросам от сгорания, образующимся в процессе, который происходит внутри двигателя. Чтобы оптимизировать эти конструкции, требуются многочисленные тесты проб и ошибок. Реализация тестов подразумевает дорогостоящее строительство и тестирование нескольких прототипов. Моделирование — это процедура, которая позволяет проводить многочисленные тесты с относительно низкой стоимостью.

Для определения диаграммы двигатель v относительно V рабочая жидкость рассматривается как идеальный газ, масса, поступающая в цилиндр, рассчитывается с использованием модели наполнения, которая учитывает подъем клапана и коэффициент выпуска.Начальная масса в цилиндре — это остаточные газы, то же количество, которое использовалось в качестве контрольного значения для контроля вытесненной массы во время выпуска. Мгновенный объем определяли с помощью уравнения по углу поворота коленчатого вала [15]. Конечная температура сжатия определялась по первому закону термодинамики, учитывающему процесс равномерного потока и конвекционный теплообмен. Мощность, среднее указанное давление, максимальное давление и температура рассчитывались с использованием методов, предложенных в [1], [4] и [15].Циклическая дисперсия изучалась с использованием среднего указанного коэффициента изменения давления и изменения давления как функции угла основной фазы сгорания в диапазоне от 10 ° до верхней мертвой точки (ВМТ) и 10 ° после ВМТ, [1]. Расчеты для процесса выхлопа были аналогичны расчетам процесса приема. Модель для исследования замкнутого контура цикла ограниченного давления CIE, заменяющего процесс отвода тепла с постоянным объемом на процесс изоэнтропического расширения с последующим отводом тепла при постоянном давлении, предложена в [36].

Существуют коммерческие пакеты, которые представляют собой очень полезный инструмент в области исследований и разработок RICE, используемых различными компаниями в автомобильном секторе. К ним относится ECARD (исследование и разработка с использованием компьютерного двигателя), разработанная группой IMST, глобальная модель, которая позволяет моделировать работу двигателя на протяжении всего его рабочего цикла, используя аналогичные модели сложности для различных вовлеченных процессов. OpenWAM — это бесплатный одномерный код газодинамики с открытым исходным кодом, созданный группой CMT, который можно использовать для прогнозирования движения потока через элементы двигателя внутреннего сгорания.NEUROPART использует нейронные сети для определения свойств продукта и влияния состава на выбросы выхлопных газов и образование частиц. CHEMKIN использует химические кинетические концепции для анализа жидкостей в газовой фазе с помощью гидродинамического моделирования. EQUIL, рассчитывает состав при равновесии продуктов сгорания. PREMIX, рассчитывает скорость сгорания для разных видов топлива. SENKIN, позволяет определить временную задержку для различных видов топлива и кинетическую эволюцию сгорания в зависимости от видов, участвующих в процессе.

2. Математическая модель

В настоящем параграфе будут разработаны основные положения и математические уравнения, управляющие явлениями, происходящими в CIE. Для этой цели будет рассмотрен регулятор громкости на рисунке 1, который показывает взаимодействие массы и энергии с окружающей средой.

Рисунок 1.

Контрольный объем двигателя

Следует отметить, что контрольный объем во время процессов газообмена работает как открытая система. В процессе сжатия процессы сгорания и расширения работают как замкнутая система, поэтому необходимо внести поправки, чтобы учесть обменную массу из-за утечки и подачи топлива.

2.1. Сохранение массы

Принцип сохранения массы устанавливает, что общее изменение массы в контрольном объеме:

Суммирование используется, когда имеется несколько входных и / или выходных потоков. Выражая Ec. 1 в дифференциальной форме и делением на разницу во времени получаем массовую скорость изменения времени:

Чтобы выразить последнее уравнение в терминах массы воздуха и топлива, поступающих в контрольный объем, мы определяем:

Различая время и переставляя, мы получаем топливо скорость изменения:

Из определения отношения эквивалентности (богатства смеси):

заменяет Ec.3 в Ec. 5 и время получения:

2.2. Сохранение энергии

Первый закон термодинамики для открытой системы, не учитывая изменения в кинетической и потенциальной энергии, можно записать в дифференциальной форме как:

и первый член в левой части уравнения. 7 можно оценить с точки зрения внутренней энергии:

или с точки зрения энтальпии:

Подставляющие уравнения ,8 и 10 в формуле 7 имеем:

Поскольку внутренняя энергия, энтальпия и плотность являются функциями T, p и ϕ, скорость их изменения во времени равна:

Предполагая, что рабочая жидкость является идеальным газом, дифференцируя уравнение идеального газа и переставляя, мы имеем:

Из уравнения14:

, заменяя формулу. 17 в формуле 16, перестановка и решение для dpdT:

Решение Ec. 15 для dRdt, упрощающий и подставляющий в Ec. 18:

Заменить уравнение идеала газа E19

в Ec. 19 и решение для dpdT:

Дифференцирующее уравнение идеального газа по p и T получаем:

и подставляя Ecs.21 и 22 в Ec. 20:

Далее для получения давления в цилиндре будет использовано уравнение плотности, объема, массы и смеси. когда время меняется (индикаторная диаграмма).

Процедура получения аналогичного выражения для изменения температуры во времени будет проиллюстрирована ниже. Решение уравнения 11 для dudt:

и определение:

С другой стороны, введение Ecs.8 в Ec. 11, получить следующее выражение:

Подставляя Ec. 26 в Ec. 12 и решение для dpdt:

Замена Ec. 27 в Ec. 20 и решение для dTdtgives:

Теперь, учитывая:

И дифференцируя:

Дифференциация уравнение идеального газа и решение для dRdt

Замена Ec.30 в формуле 31 и решение fordpdt:

Замена Ec. 32 в Ec. 27:

Определение:

Сбор терминов, содержащих dTdtand, заменяющий уравнение. 34 в формуле 33:

Определение:

Замена Ec. 36 в формуле 35 и решение fordTdt:

С тех пор:

Время дифференцирования и решения для dρdt:

Замена Ec.39 в Ec. 37:

Это уравнение будет использоваться для определения температуры в цилиндрах при изменении времени.

Если уравнения. 25, 34, 36 и 37 заменяются в формуле. 23 и собрав слагаемые, мы получили:

и:

уравнения. 41 и 42 будет использоваться для получения диаграммы индикатора (р противДиаграмма V или p и φ) и диаграмма сожженной массовой доли (диаграмма m и t) соответственно.

2.3. Мгновенный объем в цилиндре

Мгновенный объем внутри контрольного объема с точки зрения смещенного объема, степени сжатия, отношения длины шатуна к радиусу коленчатого вала и угла поворота коленчатого вала можно получить с помощью следующего выражения [15]:

В этом выражении R _LA — это отношение длины (l) шатуна к радиусу (a) шатуна.

Deriving Ec. 43 относительно угла поворота коленчатого вала, получаем:

Время в секундах, необходимое для описания некоторого угла поворота коленчатого вала, можно рассчитать с помощью следующего выражения:

Решение предыдущего выражения для φ и замена в Ec. 45, чтобы сделать соответствующее преобразование из градусов в радианы, полученное нами:

Предыдущее выражение позволяет определить цилиндр в цилиндре изменение объема по времени, в то время как Ec.45 будет использоваться для расчета изменения объема относительно угла поворота коленчатого вала.

3. Уравнения, модели и расчеты

Модели и предположения, используемые для анализа каждого из термодинамических процессов, которые проводятся в CIE, будут представлены в этом параграфе. Процедуры, обычно используемые в RICE, используются для расчета термодинамических свойств химических веществ, образующихся при сгорании. Процедуры FARG и ECP [34] используются для определения свойств в зависимости от температуры газа.Процедура PER [29] используется для получения одинаковых свойств в зависимости от богатства смеси. Программа DVERK [37], найденная в Международной библиотеке по математике и статистике, используется для решения систем дифференциальных уравнений методом Рунге — Кутты Вернера пятого и шестого порядка.

3.1. Процесс приема

Параметр, характеризующий процесс приема, представляет собой объемную эффективность, определяемую как:

Он учитывает потери во впускном клапане и всей системе впуска, если значение плотности атмосферы составляет используется для ρ ₀ .

Реальный массовый воздушный поток, поступающий в цилиндр, определяется следующими уравнениями [15] функцией отношения p _вниз / p _вверх :

, где p _down — давление ниже по потоку, а p _up — значение вверх по потоку. давление. Хотя коэффициент разряда C _d изменяется во время процесса, в настоящем исследовании мы предполагаем, что он постоянен и равен его среднему значению.Эталонная область A _ref , обычно называемая областью занавеса, поскольку она зависит от подъема клапана L _v , принимается как:

Модель, предложенная в [38], использовалась для теоретического определения профиля подъемного клапана, который функция максимального подъема, L _{v max} и угол поворота коленчатого вала φ:

Коэффициенты C ₂ , C _p , C _q , C _r y C _s определяются по следующим уравнениям:

Рекомендуемые значения для p, q, r и s: p = 6; q = 8; r = 10; с = 12.

Изменение давления и температуры газа с течением времени в этом процессе рассчитывается по формуле. 23 и 40. Поскольку CIE сжимает только воздух, термин, соответствующий изменению богатства смеси во времени, равен нулю. По этой причине приведенные выше уравнения имеют вид: p) E59

Для решения этих уравнений требуются модели тепловыделения, теплообмена, продувки, задержки зажигания и образования химических частиц. Кроме того, термины ∂u∂T, ∂u∂p, ∂R∂Ty ∂R∂ должны быть определены с использованием процедур FARG и ECP.

с уравнениями 43 и 47 мы вычисляем объем и его производную по времени, соответственно, в то время как с помощью уравнений. 49 или 50 в зависимости от случая определяют массу потока. Накопленная масса в цилиндре получается путем суммирования массовых потоков, умноженных на значения, полученные по формуле. 46. ​​

3.2. Цикл замкнутого цикла

Цикл замкнутого цикла соответствует процессам сжатия, сгорания и расширения. Сжатие начинается, когда впускной клапан закрывается. Изменение давления и температуры во времени в течение этого процесса определяется с учетом того, что сжат только воздух (Ecs 58 и 59), и есть потери массы из-за продувки.Когда начинается впрыск топлива, состав смеси меняется; поэтому выражения, используемые для определения изменения температуры и времени во время цикла с замкнутым контуром, являются уравнением. 23 и 40. Когда открывается выпускной клапан, начинается процесс выпуска.

3.3. Выпускной процесс

Уравнения, используемые в этом процессе, те же, что и в процессе впуска, но при этом отмечается, что рабочая жидкость представляет собой смесь сгоревших газов, и теплопередача выше, чем при впуске, из-за высокой температуры.

Во время перекрытия клапана мы хотим извлечь как можно больше сгоревших газов и, используя преимущества динамического воздействия, увеличить количество свежего заряда, поступающего в цилиндр. Уравнения, используемые в этом процессе, те же, что и при впуске и выпуске, но с учетом того, что одновременно происходит поступление свежего заряда и выхода сгоревших газов.

3.4. Задержка зажигания модель

Задержка зажигания в CIE характеризует количество тепла, которое будет выделяться немедленно при самовоспламенении топлива и напрямую влияет на гул двигателя и образование загрязняющих веществ.Модель, представленная в [19], указывает, что задержка зажигания зависит от температуры и давления в цилиндре, частоты вращения двигателя и количества накопленного топлива и может быть рассчитана в градусах и миллисекундах со следующими выражениями:

, где: A = 0,36 + 0,22 В, Vmp = c (об / мин) 30, n = 0, EA = exp [Ru (1RTc-117190) (21,2pc-12,4)], E = 618840NC + 25, pc = pambrcnc, Tc = Tambrcnc-1,

Другие модели, основанные на экспериментальных данных, предполагают корреляции, в которых используется выражение Аррениуса, аналогичное предложенному в [ 15], в котором константы, оцениваемые по [39], таковы: A = 3.45, п = 1,02, ЕО = ехр [EaRuTc], Е = 2100.

Другая модель, константы которой такие же, как и в предыдущем случае, использует функцию богатства A, как показано в следующем выражении [16]: A = 2.4ϕ-0.2.

3,5. Модель тепловыделения

Учитывая четвертый член числителя в уравнении. 41, которая представляет тепло, выделяемое в процессе сгорания и применяя соотношение Уотсона, мы получаем следующее уравнение:

Модель видимого горения топлива будет использоваться для представления процесса сгорания.Он использует два эмпирических уравнения, одно для фазы смешанного сгорания и другое для диффузионной фазы сгорания. Мгновенное общее количество тепла, выделяемого степенью вращения коленчатого вала, определяется суммой двух компонентов:

3.6. Фактор горения

Модель тепловыделения требует определения, в зависимости от физического состояния процесса, начального количества топлива, сжигаемого во время фазы предварительного смешивания. Для этого используется начальный коэффициент сжигания топлива [15] [17].Этот коэффициент оценивал, в зависимости от начального обогащения и периода задержки, какую часть впрыскиваемого топлива сжигают во время фазы предварительного смешивания. Разница сгорает во время диффузионной фазы. Коэффициент горения определяется как:

и может быть рассчитан по следующему выражению [15]:

Значения a1, b1 и cc1, показанные в таблице 1 [39, 19 и 15], зависят от используемой модели.

Таблица 1.

Эмпирические значения для коэффициента горения

Принимая во внимание тепло, выделяемое во время каждой фазы Ec. 63 становится

Тепло, выделяемое во время каждой фазы, оценивается по эмпирическим выражениям, предложенным в [39] и [40].Уравнения, предложенные в [39]:

Уравнение, предложенное в [40], в котором используется процент длительности и тепловыделения в каждой фазе, в отличие от уравнений [39], составляет:

В таблице 2 приведены константы для уравнений Хейвуда [15] и Уотсона [39] и таблица 3 показаны константы для уравнения Миямото [40].