На мировом рынке двигатели внутреннего сгорания используются в качестве силовых машин в различных отраслях промышленности.
Сильное влияние на эффективность сгорания, в том числе на термический КПД и выброс отработанных газов, оказывает состояние окружающей среды и свойства топлива. Известно, что предлагаемое на рынке топливо обладает большим разбросом показателей по плотности, вязкости, воспламеняемости и теплотворной способности. В настоящем исследовании рассматриваются расчетные модели процесса сгорания топлива внутри цилиндра на примере судового дизельного двигателя. Модели калибровались исходя из результатов проведенных измерений, и исследовалось влияния различных свойств топлива на эксплуатационные характеристики двигателя. Результаты исследования показали возможность использования моделей для оценки эффективности сгорания.
1. Введение
Компания Yanmar занимается поставкой систем силовой передачи заказчикам по всему миру под лозунгом «Лучшие силовые машины с минимальным воздействием на окружающую среду». Силовая машина в системе силовой передачи должна сохранять стабильность параметров в широком диапазоне условий эксплуатации. Несмотря на широкое применение двигателей внутреннего сгорания в качестве силовых машин для промышленности с отличными характеристиками, известно, что их производительность зависит от условий эксплуатации, в том числе от погодных условий (температура и давление) и свойств топлива. Вместе с тем, ввиду ухудшения глобальной экологической обстановки, нормативные требования по выбросам отработанных газов становятся все более и более жесткими. В Европе с 2017 года все пассажирские транспортные средства, помимо испытаний на динамическом стенде, обязаны проходить испытания на выбросы в реальных условиях дорожного движения (RDE). Ожидается, что в будущем и промышленные двигатели станут предметом пристального внимания относительно расхода топлива и выбросов, вследствие чего возникает необходимость обеспечения стабильности эксплуатационных характеристик двигателя в более широком диапазоне условий.
Обычной практикой при разработке двигателей является проведение первоначальных испытаний на соответствие эксплуатационным характеристикам при стандартных атмосферных условиях (25 °C, 1 атм) и на топливе, соответствующем нормам, а затем осуществление проверок качества и регулировок, путем испытания двигателей в разных условиях, в которых предполагается их использование. Поскольку продажа двигателей осуществляется по всему миру, проверка их работы во всех условиях эксплуатации, к сожалению, является непрактичной. В результате появилась потребность в разработке простых и точных методов прогнозирования эксплуатационных характеристик и внедрении способов упреждающей проверки качества в широком диапазоне условий эксплуатации. С этой целью автор работал над применением модельно-ориентированного подхода к разработке (MBD) прогноза эксплуатационной характеристики двигателя. В настоящей статье описывается возможность использования модели впрыска и сгорания топлива для прогнозирования эффективности сгорания.
2. Разработка модели
2.1. Обзор модели двигателя
Для данного исследования была разработана, с использованием инструментов анализа GT-Suite компании Gamma Technologies США, модель прогнозирования эффективности сгорания. Программное обеспечение GT-Suite может применяться для комбинированного анализа как расхода жидкостей, так и механических систем. В данном контексте под потоком жидкости понимаются входные и выходные тракты, а также поток топлива по системе впрыска (насосу, трубке высокого давления и инжекторам), а под механической системой понимается коленчатый вал и поршни. Для анализа потока применяется набор уравнений сохранения массы, момента и энергии, основанный на уравнениях Навье — Стокса. Особенность анализа состоит в том, что, в отличие от компьютерного трехмерного газодинамического расчета (CFD), применяемого для подробного анализа, набор уравнений позволяет быстро получить решение, всего лишь выполнив пространственную дискретизацию по направлению потока(1).
Модель прогнозирования сгорания состоит из отдельных моделей: модели системы впрыска топлива и модели сгорания в цилиндре. Сначала для расчета величины цикловой подачи топлива при заданных условиях работы насоса используется модель впрыска топлива. Затем рассчитанная величина цикловой подачи топлива и другие параметры, например наддув и давление выхлопа, используются в качестве входных данных для модели сгорания в цилиндре с целью прогнозирования процесса сгорания. Следует заметить, что идентификация системы должна осуществляться заранее для обеих моделей с использованием фактических данных, полученных при стандартных условиях эксплуатации.
2.2. Модель системы впрыска топлива
В модели используется система впрыска топлива среднеоборотного судового двигателя с автономным насосом, топливопроводом высокого давления и инжектором для каждого цилиндра (см. рис. 1). В модели системы впрыска топлива все функциональные компоненты, от топливопровода на входе насоса до инжектора, принимаются в качестве упрощенных топливопроводных и механических элементов. В следующих разделах описывается разработка модели для поршня и цилиндра, нагнетательного клапана (клапана постоянного давления), топливопровода высокого давления и топливной форсунки, соответственно.
Рис. 1. Схема модели системы впрыска топлива
1) Поршень и цилиндр
На рис. 2 изображены схемы физического и моделируемого расположения поршня и цилиндра. Топливо, поступающее в насос по впускному топливопроводу, периодически заполняет топливный канал. Топливный канал, связанный с цилиндром сообщающимся каналом и отверстиями подачи, служит буфером при подаче топлива в цилиндр во время такта всасывания и приемником для топлива, оставшегося в конце хода нагнетания. В модели топливный канал разделен на расположенные по окружности мелкие элементы, каждый из которых по отдельности рассматривается как общий отвод, имеющий конкретный объем, а также профили впускного и выходного отверстий. Сообщающийся канал имеет узкое сечение для управления обратным током топлива из цилиндра. В модели это изображено в виде отверстия в трубе, коэффициенты расхода которого отрегулированы сообразно текущей ситуации.
Рис. 2. Моделирование топливного канала и цилиндра насоса
Поршень, который нагнетает топливо, толкается вверх роликом толкателя, приводимым в движение кулачком вала, расположенным под насосом. В результате происходит сжатие топлива в цилиндре. Сбоку поршня у данного насоса выполнена диагональная прорезь («надрез»). Нагнетание топлива начинается после закрытия верхним краем поршня отверстия подачи и заканчивается после прохождения отверстием подачи нижней поверхности надреза, при этом в надрезе образуется сообщающийся канал между топливным каналом и топливным трактом. Такой механизм нагнетания означает, что объем впрыска топлива можно регулировать поворотом поршня, изменяя тем самым полезную длину хода нагнетания поршня. В модели эта операция отражена изменением полезной площади загрузочного отверстия сообщающегося канала при подъеме поршня, по отдельности для начала и конца нагнетания. Кроме того, полезный ход нагнетания поршня выражался путем корректировки промежутка между началом и концом нагнетания, совпадая с фактическим объемом впрыска топлива.
2) Нагнетательный клапан (клапан постоянного давления)
Сжатое в цилиндре топливо поступает через нагнетательный клапан в трубопровод высокого давления. Задача нагнетательного клапана состоит в поддержании необходимого (остаточного) давления в топливном тракте после впрыска. В модели механические компоненты нагнетательного клапана (сам нагнетательный клапан, клапанные пружины и шаровой клапан), изображенные на рис. 3, отражены моделями механических элементов соответствующего функционала. Высота подъема нагнетательного и шарового клапанов рассчитывается с учетом давления на их верхних и нижних поверхностях, а также усилия клапанной пружины. Полезная площадь седла клапана точно выверяется, чтобы гарантировать точность калибровки высоты подъема нагнетательного клапана.
Рис. 3. Моделирование нагнетательного клапана
3) Топливопровод высокого давления
Длины и диаметры в модели топливопровода высокого давления взяты из проектных чертежей.
4) Топливная форсунка
На рис. 4 изображена модель топливной форсунки. Впрыск топлива контролируется игольчатым клапаном, расположенным вверх по потоку от отверстия сопла форсунки. Работа игольчатого клапана определяется равновесием между усилием пружины, прикладываемым к верхней части клапана, и действием давления жидкости, прикладываемым к нижней части этого клапана. В модели массы игольчатого клапана, тарелки и клапанной пружины, как и заданная жесткость пружины, определяются на основании проектных значений, а площадь нижней части игольчатого клапана, подвергающаяся воздействию давления, меняется в соответствии с подъемом клапана. Игольчатый клапан разделен на два элемента массы, соединенные с механическими элементами, такими как пружина и амортизатор, с учетом жесткости игольчатого клапана. В рассматриваемой форсунке через зазор между игольчатым клапаном и корпусом форсунки вытекает некоторое количество топлива. В модели элемент утечки установлен между топливным каналом высокого давления и выпускным топливным каналом, а зазор отрегулирован в соответствии с реальной утечкой.
Рис. 4. Моделирование форсунки
2.3. Разработка модели процесса сгорания
1) Модель процесса сгорания (DIPulse)
Рис. 5. Схематическое изображение модели процесса сгорания
На рис. 5 показано схематическое изображение упрощенной модели прогнозирования процесса сгорания DIPulse. Модель DIPulse прогнозирует образование топливно-воздушной смеси для струи топлива, впрыснутой в цилиндр, исходя из характеристик распределения вдоль оси впрыска форсунки до окончания впрыска, без учета распределения струи в радиальном направлении. Пространство внутри камеры сгорания делится на три зоны (воздушная зона, зона смеси паров топлива и воздуха и зона отработанных газов), в каждой из которых предполагается одинаковая температура и химический состав. Во время процесса образования смеси перед воспламенением, процесс пульверизации и испарения рассчитывается исходя из скорости распыления топлива, температуры окружающего воздуха и плотности, а засасывание воздуха рассчитывается по закону количества движения. Задержка воспламенения определяется путем взятия интеграла Ливенгуда — Ву с использованием модели реакции Аррениуса, а скорость сгорания смеси, которая образуется перед воспламенением, определяется с помощью модели распространения пламени. Поскольку скорость реакции во время диффузионного горения, которое следует за возгоранием подготовленной смеси, зависит от процесса смешивания струи, то объем реакции определяют с помощью модели турбулентного смешивания. Уравнения с (1) по (4) на рис. 5 используются в DIPulse для выражения моделей образования смеси, воспламенения, возгорания подготовленной смеси и диффузионного горения, соответственно. Различные коэффициенты корректируются таким образом, чтобы кривая генерации тепла или история давления в цилиндре соответствовали экспериментальным результатам с целью установления тождества модели горения.
2) Модель прогнозирования NOx
Количество производимого NOx рассчитывается с помощью расширенного механизма Зельдовича применительно к температурам отработанного газа, полученным с помощью двухзонной модели. Константы скорости реакции (к) для элементарных реакций с (5) по (7) корректируются точно в соответствии с фактическими результатами измерений с целью установления тождества модели.
3. Верификация модели впрыска
На рис. 6 сравниваются замеры давления впрыска и результаты прогнозирования, смоделированные под разными нагрузками в режиме судового вспомогательного двигателя (режим D2). Результаты показывают точность прогноза как в отношении давления впрыска, так и падения давления, которое возникает при открытии игольчатого клапана.
Рис. 6. Верификация прогнозирования давления впрыска с помощью модели системы впрыска топлива
4. Исследование влияния свойств топлива
К основным типам топлива, используемым для судовых двигателей, относятся судовой газойль (MGO), судовое дизельное топливо (MDO) и жидкое бункерное топливо средней вязкости (IFO). Однако даже у сравнительно стабильных по качеству MGO и MDO плотность, кинематическая вязкость и характеристики воспламеняемости широко варьируются по сравнению с коммерческим дизельным топливом (дизельное топливо японского промышленного стандарта № 2)(2). Это означает, что топливо из разных портов даже при условии принадлежности к одному стандарту (например, стандарту ISO8217), все равно может отличаться по своим свойствам и создавать проблемы в виде роста эксплуатационных затрат или ухудшения состава отработанных газов. Влияние плотности, одного из свойств топлива, на эффективность сгорания оценивается с помощью модели сгорания на примере судового дизельного двигателя, работающего на MDO.
4.1. Влияние плотности топлива на величину цикловой подачи
На рис. 7 показано сравнение давления и величины цикловой подачи при одинаковых режимах работы насоса и при колебании плотности топлива между 800 и 900 кг/м3. Рост массового расхода при большей плотности топлива увеличивает максимальную величину цикловой подачи и уменьшает ее длительность.
Рис. 7. Давление и величина цикловой подачи при различной плотности топлива
4.2. Влияние плотности топлива на процесс сгорания
На рис. 8 показана оценка результатов процесса сгорания исходя из описанных выше спрогнозированных величин цикловой подачи. Они демонстрируют получение более турбулентной смеси с более высокой плотностью топлива и одновременный рост генерации тепла в основном цикле сгорания. На рис. 9 показано максимальное давление в цилиндре (Pmax), концентрация NOx и расход топлива, спрогнозированные в условиях изменения плотности топлива, и реальные результаты измерений, полученные в ходе испытаний двигателя с использованием дизельного топлива японского промышленного стандарта № 2 и тяжелого дизельного топлива A. Из-за различий между разнообразными свойствами дизельного и тяжелого дизельного топлива — не только плотности, но и кинематической вязкости, фракционного состава, низшей теплотворной способности и цетанового числа — сложно говорить о непосредственном влиянии плотности лишь на основе этих результатов. Однако учитывая, что они ориентировочно указывают на одну и ту же качественную тенденцию, описанная здесь схема может в некоторой степени использоваться для оценки влияния свойств топлива. В будущем компания Yanmar намеревается не только прояснить влияние свойств топлива на эффективность сгорания, повысив точность моделей и проведя анализ влияния каждого из параметров свойств топлива, но и включить в модель атмосферные условия, чтобы помочь в разработке технологии обеспечения надежной производительности в широком диапазоне различных условий эксплуатации.
Рис. 8. Профили сгорания при различной плотности топлива
Рис. 9. Результаты верификации моделей прогнозирования процесса сгорания
Выводы
Такие факторы, как тенденция к дальнейшей электрификации в Японии и других странах, более строгое законодательство в области выбросов и колебания цен на нефть ведут к тяжелому будущему двигателей внутреннего сгорания. При этом важно создавать оптимальные силовые машины с максимальной ценностью для клиентов, получаемой за период эксплуатации (LCV), при соблюдении требований к защите окружающей среды. Тем временем компания Yanmar в плановом порядке продолжает разрабатывать технологию в надежде на то, что общество сможет извлечь пользу из преимуществ использования двигателей внутреннего сгорания, долгое время проектируемых с целью достижения более высокого термического КПД и получения более чистых выбросов в более широком диапазоне условий эксплуатации. Компания Yanmar надеется приблизить «надежное будущее» за счет множества различных технологических разработок, включая раскрытые в настоящей статье.
В заключение автор хотел бы выразить признательность за существенную помощь в исследовании компании, IDAJ Co., Ltd. и Сатоми Ихори из центра научных исследований и опытно-конструкторских разработок.
Литература
- Ясухиро Отаки, Introduction and Applications of One-Dimensional Engine Simulation Tools — журнал Японского института судового машиностроения, № 44-3 (2009).
- Effect of Stringent IMO SOx Regulations on Marine Fuel (1), отчет JPEC, № 17 (2015).
Исходный технический отчет написан на японском языке.
Настоящий документ был переведен отделом управления научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими разработками.
Автор: Го Асаи
