63
SYMULACJA NUMERYCZNA PROCESÓW SPALANIA W POJEDYNCZEJ KOMORZE SILNIKA O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ETAP I. PRZYGOTOWANIE OBLICZEŃ
Zbigniew Kosma, Bartosz Piechnik, Rafał Kalbarczyk
Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu, ul. Krasickiego 54, 26-600 Radom
e-mail: zbigniew.kosma@uthrad.pl, b.piechnik@uthrad.pl, rafalk@ghnet.pl
Streszczenie
W pracy przedstawiony został przygotowawczy etap prac związanych z problematyką przeprowadzania symula- cji numerycznej procesów spalania w pojedynczej komorze spalania silnika o zapłonie samoczynnym zasilanym dwupaliwowo. Na potrzeby symulacji stworzono model geometryczny komory spalania silnika oraz wygenerowano odpowiednią siatkę numeryczną z wykorzystaniem oprogramowania firmy ANSYS. Wykonano także analizę nume- ryczną przepływu powietrza w komorze spalania uwzględniającą ruch tłoka i zaworów.
Słowa kluczowe: CNG, modelowanie, silnik dwupaliwowy, symulacja numeryczna
NUMERICAL SIMULATION OF COMBUSTION PROCESSES IN SINGLE COMBUSTION CHAMBER OF SELF-IGNITING DIESEL ENGINE
STAGE I. PREPARATION OF CALCULATION
Summary
In the paper a preparatory stage of work on the issue of the numerical simulation of combustion processes in the bi-fuel powered diesel engine was presented. For the purposes of the numerical simulation a single geometric model of the combustion chamber of the engine was created and a corresponding numerical grid by means of Ansys soft- ware was generated. Numerical simulations of the air flow in a single combustion chamber of self-igniting diesel engine including movement of the piston and valves was also carried out.
Keywords: CNG, modelling, dual-fuel engine, numerical simulation
1. WSTĘP
Jednym ze sposobów zmniejszenia zużycia ropy naf- towej jest coraz powszechniejsze stosowanie paliw alter- natywnych w konwencjonalnych silnikach. Przykładem takiego rozwiązania jest np. zasilanie silników o zapłonie iskrowym gazem LPG (Liquefied Petroleum Gas), bądź też silników o zapłonie samoczynnym gazem CNG (Compressed Natural Gas).
CNG to naturalny gaz ziemny w postaci sprężonej do ciśnienia 20-25 MPa. Jest on alternatywnym paliwem
składającym się w głównej mierze z metanu. Prosta budowa chemiczna metanu i mniejsza zawartość węgla w stosunku do paliw ropopochodnych powodują, że spaliny charakteryzują się niższą zawartością zanieczysz- czeń w stosunku do spalin będących produktem spalania oleju napędowego. CNG może być stosowany zarówno w silnikach o zapłonie iskrowym, jak i silnikach o zapło- nie samoczynnym. Zasilanie silnika o zapłonie iskrowym nie sprawia większych problemów, ponieważ spalanie
64 samego gazu naturalnego, jest bardzo trudne. Rozwiąza- niem tego problemu jest zasilanie dwupaliwowe. Polega ono na dostarczeniu do komory spalania niewielkiej dawki pilotującej w postaci oleju napędowego, która pod wpływem sprężania w cylindrze ulega zapłonowi, a następnie wtryśnięciu właściwego paliwa jakim jest CNG.
Silnik zasilany dwupaliwowo posiada pewne wady w stosunku do silnika bazowego (zasilanego tylko sa- mym olejem napędowym), a mianowicie mniejszą moc oraz skłonność do spalania stukowego [2 - 4]. Cechą charakterystyczną tego typu spalania są silne pulsacje ciśnienia w cylindrze, pojawiające się w suwach spręża- nia i rozprężania.
Pierwszy etap symulacji numerycznej procesu spala- nia w pojedynczej komorze silnika o zapłonie samoczyn- nym jest etapem przygotowawczym prac związanych z analizą numeryczną silnika zasilanego dwupaliwowo.
Mają one na celu stworzenie modelu geometrycznego komory spalania, wygenerowanie siatki obliczeniowej i jej przetestowanie oraz określenie warunków początko- wych. Drugim etapem pracy będzie przeprowadzenie symulacji numerycznych z zastosowaniem modelu spala- nia, przy uwzględnieniu wymiany ciepła oraz reakcji chemicznych.
Istnieje wiele pakietów komercyjnych o ugruntowanej renomie, umożliwiających modelowanie procesów spala- nia w silnikach spalinowych, np. KIVA-3V [5], AVL FIRE [6], CHEMICIN i inne [7, 8]. Do tej grupy zalicza się także pakiet Ansys Workbench wyposażony w program Fluent [9].
Rys. 1. Silnik ADCR firmy Andoria zaadaptowany do zasilania dwupaliwowegoi pojedynczy tłok
Do stworzenia geometrii niezbędnej do wygenerowa- nia siatki użyto programu AutodeskInventor. Na pod- stawie rysunku technicznego głowicy silnika oraz tłoka (rys.1) został odwzorowany trójwymiarowy model pojedynczej komory spalania silnika ADCR firmy Ando- ria.
Na rys. 2 został przedstawiony model geometryczny komory spalania, w której zachodzą procesy spalania mieszanki palnej. Do każdego kąta obrotu wału korbo- wego została przypisana odpowiednia pozycja tłoka i zaworów. Rys. 3 przedstawia przykładowe położenia tłoka i zaworów względem określonego kąta obrotu wału korbowego.
65
Rys. 2. Model geometryczny komory spalania wraz z kanałami dolotowymi i wylotowymi
Rys. 3. Przykładowe położenia tłoka i zaworów dla różnej wartości kąta obrotu wału korbowego
Tak przygotowany model geometryczny komory spa- lania wraz z dolotami został podzielony na odpowiednie podobszary (rys. 4), dzięki czemu możliwe było osobne generowanie siatki obliczeniowej dla poszczególnych stref geometrii. W strefach występowania największych
gradientów prędkości czynnika oraz w warstwie przy- ściennej siatka numeryczna została dodatkowo zagęsz- czona. W dalszej fazie obliczeń pozwoli to na uzyskanie dokładniejszych wyników wielkości hydrodynamicznych, np. prędkości, czy ciśnienia.
Rys.4. Sposób podziału geometrii na poszczególne podobszary Do przygotowania siatki numerycznej komory spala-
nia wykorzystano program AnsysMeshing, który oferuje bardzo zaawansowane możliwości tworzenia siatek obliczeniowych. Przedstawiona na rys. 5 siatka oblicze-
niowa składa się 85 tysięcy elementów głównie czworo- ściennych i posiada 38 tysięcy węzłów. Jakość siatki obliczeniowej określono przy wykorzystaniu parametru skośności skewness, który wyniósł 0.92.
66
Rys. 5. Przekroje siatki numerycznej wygenerowanej za pomocą AnsysMeshing W przypadku symulacji numerycznej procesów za-
chodzących w komorze spalania należy dokonać wstęp- nej analizy, w których obszarach będą zachodziły naj- istotniejsze zjawiska w czasie pracy silnika. Na rys. 6
pokazano sposób, w jaki została zagęszczona siatka obliczeniowa w kanałach dolotowych. Na rys. 7 przed- stawiono przykładowe siatki obliczeniowe wygenerowane dla różnych położeń tłoka.
Rys. 6. Sposób zagęszczenia siatki obliczeniowej w kanałach dolotowych
Rys. 7. Przykładowe siatki obliczeniowe wygenerowane dla różnych położeń tłokai zaworów
3. WYNIKI SYMULACJI
NUMERYCZNEJ PRZEPŁYWU POWIETRZA
W celu sprawdzenia poprawności wygenerowania siatki obliczeniowej i określenia warunków początkowych
dla dalszych obliczeń procesów spalania w pojedynczej komorze spalania silnika o zapłonie samoczynnym wykonano symulacje numeryczne przepływu powietrza po zaimportowaniu siatki do programu AnsysFluent.
Obliczenia przeprowadzono w warunkach niestacjo- narnych dla okresu pracy silnika obejmującego 720°
OWK przy prędkości obrotowej wału korbowego
67 2000 obr/min. Powietrze zostało dostarczone do kolekto- ra w warunkach normalnych. Panujące na wlocie do kolektora dolotowego ciśnienie powietrza było jednocze- śnie warunkiem początkowym i wynosiło 0,1 MPa, przy temperaturze równej 300 K.
Rozwiązanie zostało uzyskane na podstawie stan- dardowego modelu turbulencji k-epsilon z domyślnymi parametrami. Na rys. 9-11 zamieszczono graficzną prezentację części otrzymanych wyników przy określo- nych kątach obrotu wału korbowego w płaszczyźnie znajdującej się w osi symetrii zaworów (rys. 8). Oblicze- nia rozpoczęły się w GMP na początku suwu rozprężania i trwały 720° OWK do zakończenia suwu sprężania
silnika. Rys. 8. Płaszczyzna znajdująca się w osi symetrii zaworów
(a) (b)
(c) (d)
Rys. 9. Rozkłady prędkości (m/s): (a) 4° OWK; (b) 70° OWK (ruch tłoka w kierunku DMP);
(c) 270° OWK; (d) 470° OWK
Na rys. 10 i 11 przedstawiono wygenerowane rozkła- dy wektorów prędkości i pól ciśnienia, jakie uzyskano dla wybranych wartości kąta obrotu wału korbowego.
68
Rys. 10. Rozkład wektorów prędkości i pól ciśnienia dla 265° OWK
Rys. 11. Rozkład wektorów prędkości i pól ciśnienia dla 480° OWK
4. PODSUMOWANIE
Wygenerowanie siatki numerycznej i wykonanie obli- czeń przepływu powietrza jest etapem przygotowawczym do przeprowadzenia kompletnej symulacji numerycznej procesów spalania w pojedynczej komorze silnika diesla zasilanego dwupaliwowo z wykorzystaniem modułu solver pakietu Fluent. Otrzymane w drugim etapie obliczeń rozkłady pól ciśnienia zostaną porównane z wynikami uzyskanymi na drodze eksperymentalnej z wykorzystaniem czujnika piezoelektrycznego. Pozwoli to jednoznacznie potwierdzić poprawność wygenerowanej
siatki obliczeniowej i przyjętych warunków początko- wych.
Po przeprowadzeniu kompletnej analizy numerycznej i porównaniu jej wyników z rezultatami badań ekspery- mentalnych można będzie zdiagnozować problemy występujące podczas pracy silnika o zapłonie samoczyn- nym zasilanego dwupaliwowo i zaproponować ewentual- ne modyfikacje rozwiązań konstrukcyjnych komory spalania i kanałów dolotowych. Jest przy tym istotne, że pomiary laboratoryjne są dokonywane wyłącznie w wybranych punktach dyskretnych, natomiast prze- prowadzenie symulacji numerycznych pozwali na uzy- skanie wyników w całej objętości komory spalania.
Literatura
1. Wajand J.A.: Silniki o zapłonie samoczynnym. Warszawa: WNT, 1980.
2. Różycki A.: Analiza drgań głowicy silnika wysokoprężnego zasilanego dwupaliwowo. „Journal of KONES Internal Combustion Engines” 2006, Vol. 13.
3. Różycki A.: Granica spalania stukowego w dwupaliwowym silniku o zapłonie samo-czynnym. Czasopismo tech- niczne, Wyd. Pol. Krak. 2008, z.7-M, s. 129 - 137.
69
4. Kowalewicz A.: Adaptacja silnika wysokoprężnego do zasilania gazem naturalnym. Kraków: Wyd. Pol. Krak., 2008.
5. Teodorczyk A., Sutkowski M.: Methane direct injection system for spark ignition engines – a numerical study.”
Journal of KONES Internal Combustion Engines” 2004, Vol. 11, No. 3-4, p. 242 - 247.
6. Tutak W., Jamrozik A.: Modelowanie obiegu silnika gazowego z wykorzystaniem programu AVL Fire. Modelo- wanie i symulacja, PTNSS-2010-SS2-213.
7. Varol Y., Oztop H.F., Firat M., Koca A.: CFD modeling of heat transfer and fluid flow inside a pent-roof type combustion chamber using dynamic model. International Communications in Heat and Mass Transfer 2010, Vol.
37, Iss. 9, p. 1366 – 1375.
8. Gosman A.D.: State of the art of multi-dimensional modeling of engine reacting flows. “Oil & Gas Science and Technology” –Rev. IFP, 1999, Vol. 54, No. 2, p. 149 – 159.
9. Dokumentacja programu Ansys Fluent.
