Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 621.436 Дизели. Двигатели с воспламенением от сжатия
ББК 31 Энергетика
Цель исследования: моделирование гидродинамических процессов, происходящих в электромагнитной топливной форсунке дизеля с использованием программного комплекса (ПК) AVL Boost Hydsim. Задача, решению которой посвящена статья: проектирование аппаратуры аккумуляторных систем впрыскивания и распыливания топлива типа «Common Rail»; описание методологии разработки аккумуляторных топливных систем с помощью ПК Hydsim. Методы исследования: численное моделирование процесса топливоподачи на основе гидродинамических зависимостей, описывающих движение сжимаемой вязкой жидкости, в программной среде Hydsim. Новизна работы: в связи с постоянным ужесточением экологических и технико-экономических требований к дизельным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), которые напрямую зависят от совершенства системы топливоподачи, возникает необходимость в программном инструменте, позволяющем инженерам производить проектирование соответствующей топливной аппаратуры. Также важно иметь эффективную и исчерпывающую методику работы с подобными программными решениями. Результаты исследования: разработана модель электромагнитной топливной форсунки дизельного двигателя, в кратком изложении дана методика построения гидравлической модели форсунки (в двумерной по-становке задачи) и анализ получаемых результатов моделирования. Выводы: ПК AVL Boost Hydsim имет ряд преимуществ по сравнению со своими конкурентами, которые позволяют существенно сократить время, затрачиваемое на проектирование и внедрение современной топливной аппаратуры, появляются возможности для динамического анализа гидравлических и гидромеханических систем двигателей.
двигатель, аппаратура, процесс, топливоподача, математическое моделирование
Введение
Создание современных высокоэффективных поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) начинается с проектных работ, выполняемых обычно в течение ограниченного времени. Для своевременного решения поставленных задач исследователям необходим инструмент, предоставляющий возможность на начальных этапах проектирования выполнить математические моделирование процессов, протекающих в топливоподающей аппаратуре (ТПА) ДВС.
Одной из наиболее популярных программ для расчета топливоподающей аппаратуры считается AVL Boost Hydsim, разработанная австрийской компанией AVL [1, 2]. Первоначально программный комплекс HYDSIM был разработан для моделирования топливных систем дизельных двигателей. В дальнейшем программа стала успешно использоваться для расчета систем топливоподачи бензиновых двигателей с искровым зажиганием, для определения характеристик впрыскивания альтернативного топлива и решения других задач. Кроме того, ПК HYDSIM находит применение при расчетах гидравлических приводов клапанов, передач, машинных тормозных систем и приводов, то есть позволяет моделировать гидравлические и механические системы.
По сравнению со своими аналогами, такими как Ricardo (Англия) и FAV Motorentechnik GmbH (Германия), ПК HYDSIM обладает следующими преимуществами [3]:
- гибкие возможности моделирования;
- быстрый и надежный расчет;
- применение современных физических моделей;
- точные результаты расчета;
- простой и интуитивно понятный интерфейс;
- возможность оптимизация стратегии управления с помощью MATLAB и Simulink.
Основой физико-математического аппарата, применяемого в данном программном обеспечении являются законы гидродинамики: для моделирования движения сжимаемой вязкой жидкости служит система уравнений Навье-Стокса (закон сохранения импульса):
,
где x, y, z - координаты точки; P - давление жидкости: v- скорость движения; ρ - плотность; μ - коэффициент динамической вязкости жидкости;
g - ускорение свободного падения.
Уравнение Навье-Стокса в векторной форме имеет вид:
.
Нестационарное течение вязкой сжимаемой жидкости, описывается также уравнением неразрывности (уравнением Эйлера), которые в векторной форме имеют вид:
.
Возможно решение и более сложных многомерных задач гидродинамики с описанием процессов турбулентности, кавитации и т.д.
Описание процесса построения гидродинамической модели ТПА дизеля в среде HYDSIM
Проектирование топливной аппаратуры в среде Hydsim начинается с построения гидромеханической схемы, отражающей функциональные зависимости между элементами форсунки (рис. 1) [2, 4, 5]. Первым шагом моделирования является создание общей топливной магистрали (Rail Pressure), для которой устанавливается постоянное граничное давление. Следующей важной частью модели является магистраль высокого давления (Injector Tube), соединяющая штуцер форсунки с топливным аккумулятором высокого давления.
Рис.1. Гидравлическая модель форсунки, построенная в среде моделирования HYDSIM
Fig. 1. Hydraulic model of the injector built in the HYDSIM simulation environment
В дальнейшем поток топлива на разветвлении (Junction) расходится в дух направлениях: одна ветвь проходит через топливный канал в корпусе форсунки (Holder Bore) и входной дроссель (Inlet Throttle) к управляющему объему (Control Volume). Другое ответвление направляет поток через корпус форсунки (Nozzle Bore) в полость распылителя (Nozzle Volume) и далее непосредственно к самому распылителю (Nozzle Orifice).
На рисунке 1 для объема в распылителе находятся необходимые соединения с иглой (Needle) и отверстиями распылителя. Для сопловых отверстий построена гидравлическая связь с давлением в цилиндре двигателя (Cylinder Pressure), таким образом устанавливается граничное условие в виде постоянного давления со стороны объема цилиндра. В связи с этим нужно определить и задать среднее давление в цилиндре за время впрыскивания (в настоящем примере, 100 бар). Управляющий объем соединен с одной стороны с поршнем управления (Control Piston), а с другой - с выходным дросселем (Outlet Throttle) большей площади сечения, чем входной дроссель. Выходной дроссель соединен через небольшую полость клапана (Valve Volume) с регулирующим дросселем (Solenoid Valve). В схеме данный дроссель является заменой электромагнитному клапану дизельной форсунки, он управляет закрытием и открытием слива топлива. Линия слива представляет собой выходной объем (Spill Volume), дроссель слива (Sump Throttle) и топливный бак (Fuel Tank).
На схеме показана связь иглы и управляющего поршня с топливным баком, для которого задано постоянное граничное давление. Рассматриваемые до сих пор связи между элемента являются гидравлическими. Для них нет необходимости вводить начальные данные. Гидравлические связи дополняются механическими, например, игла имеет две механические связи: одна - через пружину форсунки и другая - жесткий стержень, обозначающая взаимодействие иглы с поршнем управления. Для механических соединений необходимо ввести исходные данные. Пружина иглы прилегает к неподвижной опоре (Nozzle Holder), которая моделируется как жесткая механическая граница.
Утечки топлива через направляющую иглы и управляющий поршень моделируются двумя элементами: утечки через направляющую иглы (Nozzle Leakage) и утечки через поршень управления (Piston Leakage). Для обозначения элемента утечек имеются специальные связи для иглы и для управляющего поршня. Игла также имеет специальную связь с сопловыми отверстиями.
Элементы интерфейса и представление результатов моделирования
На рис. 2 представлены элементы интерфейса, предусмотренного для ввода исходных данных для расчета распылителя форсунки. Результаты расчетов ПК HYDSIM представляются в табличной форме и форме графиков (рис.3).
Рис. 2. Пример меню для ввода исходных данных ПК HYDSIM
Fig. 2. Example of a menu for entering the initial data of the PC HYDSIM
В качестве примера приведены временные характеристики таких важных параметров, получаемых в результате моделирования, как средний диаметр капли топлива по Заутеру (параметр определяет скорость протекания процессам сгорания в цилиндре), координата вершины топливного факела, угол раскрытия топливного факела (данные параметры определяют степень равномерности распределения топлива внутри камеры сгорания цилиндра).
Программа позволяет пользователю представить на графиках: характер изменения давлений в полостях форсунки; потоки топлива; подъем иглы форсунки и поршня управления; дифференциальную и интегральную характеристики впрыскивания топлива; количественную оценка протечек в системе и др. Возможно получение отчетов по каждому из элементов электромагнитной форсунки представленных на схеме.
Рис. 3. Изменение среднего диаметра капли топлива (по Заутеру), угла конуса
топливного факела и координаты вершины топливного факела в функции от времени
Fig.3. Change in the average diameter of a fuel drop (according to Sauter), the angle
of the cone of the fuel flame and the coordinates of the top of the fuel flame as a function of time
После проведения расчета ПК HYDSIM предоставляет широкие возможности по формированию различных отчетов по каждому элементу гидравлической системы. Также представляется возможность сгенерировать 2D-анимацию процесса впрыскивания топлива (рис 4.)
Рис. 4. Анимационное представление процесса топливоподачи в ПК HYDSIM
Fig. 4. Animation of the fuel supply process in the HYDSIM PC
Результаты моделирования процессов в ПК HYDSIM позволяют решать задачи оптимизационного характера, связанные с улучшением процесса смесеобразования и последующего сгорания в цилиндре дизеля, а также оптимизации формы камеры сгорания. Осуществляется взаимная адаптация процессов впрыскивания топлива и процессов, происходящих в камере сгорания, что в конечном итоге дает возможность улучшить экономические и экологические показатели дизельного двигателя.
Заключение
Для достижения всех предъявляемых к дизелям требований, таких как снижение расхода топлива, улучшение показателей экологичности, повышение надежности ДВС, двигателестроительные компании всего мира ведут постоянный поиск технологических решений для снижения трудоемкости производства новой продукции. Общеизвестным фактом является то, что при проектировании нового продукта в условиях ограниченности времени, добиться успеха возможно лишь при принятии правильных и последовательных решений на этапе концептуальной разработки. Благодаря ПК AVL Boost Hydsim существенно сокращается время, затрачиваемое на проектирование и внедрение современной топливной аппаратуры, появляются возможности для динамического анализа гидравлических и гидромеханических систем двигателей.
В дальнейшем для более детального исследования впрыскивания и распыливания топлива в камере сгорания дизеля и дальнейшего расчета смесеобразования и сгорания топливовоздушной смеси возможна интеграция модуля HYDSIM c такими программными инструментами как ANSYS или FIRE.
1. Скрипник А.А. Программное обеспечение для моделирования силовых агрегатов: ноу-хау AVL в увеличении доли исследовательских работ на ранних стадиях проектирования. ООО «АПС Консатинг». Москва. - URL: http://www.aps-c.ru/publications/AVL_simulation_technologies_with_FM.pdf
2. Шишиков В.В. Автоматизированное проектирование двигателей: методические указания / сост. В.В. Шишков. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2015. 26 с.
3. MathWorks. Simulate transient behavior of hydraulic system, especially for fuel injection system. [Электронный ресурс]. URL: https://uk.mathworks.com/products/connections/product_detail/avl-boost-hydsim.html
4. Punov P. Research the fuel injection characteristics of a common-rail solenoid injector. Departement of Combustion Engines, Automobiles and Transport. Techmical University, Sofia, Bulgaria. Proceedings of BulTrans, 2015. pp. 153-158.
5. Čaika V., Sampl P., Tatschl R., Krammer J. et al. Coupled 1D-3D Simulation of Common Rail Injector Flow Using AVL HYDSIM and FIRE. SAE Technical Paper 2009-24-0029, 2009.
6. Seungwoo Hong, Jaewook Shin and M. Sunwoo, "Common rail pressure controller for diesel engines using an empirical model," 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2012, pp. 887-892.
7. K. Matkovic, M. Jelovic, J. Juric, Z. Konyha and D. Gracanin, "Interactive visual analysis and exploration of injection systems simulations," VIS 05. IEEE Visualization, 2005., 2005, pp. 391-398.
8. S. abo-Elfadl, A. S. Ali and M. H. Siliman, "Modeling and simulation of the common rail fuel injection system of the diesel engine," 2017 13th International Computer Engineering Conference (ICENCO), 2017, pp. 134-140.
9. Chen Y. and Heister S.D., Modeling Cavitating Flows in Diesel injectors. Atomization and Sprays, Volume 6, pp. 709-726.
10. AVL HYDSIM, User’s Guide, Graz 2009.
