kipufogószelep és az égéstér határfelületei
(dugattyú felső felülete, hengerfal, hengerfej egyes felületei).
Az általunk beállított fordulatszám 2000 1/s.
Motorunk furata: 90 mm, lökete: 80 mm. Számításunk időtartama: 1
ciklus, vagyis 720° főtengely-szögelfordulás.
2.1.2 Mozgó peremek • A ciklus során lezajló
események behatárolják a diszkretizált modell szerkezetét: az áramlási
tartomány mérete és alakja folyamatosan változik, tehát a klasszikus
módon hálózott áramlási modell nem megfelelő. Ezért bonyolult
előkészítés során összetett, dinamikusan változó háló készült, mely
időlépésenként változó térfogati felbontást biztosít.
Természetesen nem minden perem mozog a modellben. A
dugattyú és szelepek viszont előre meghatározott, precízen
összehangolt mozgást végeznek, amit a forgattyús hajtómű méretei,
szelepnyitási görbék és a fordulatszám paraméterei irányítanak. Ezek a
motor terhelésétől is függhetnek.
A teljes modellben három típusú térfogati hálót
különböztethetünk meg:
• rögzített részek (például a kipufogócső nagy
része), melyek nem változnak, és nem mozognak;
• mozgó, de alakjukat nem változtató részek
(például szelepszárak mellett);
• deformálódó részek (például szelepek körül):
cellák készítése és törlése szükséges (újrahálózás vagy rétegelés
segítségével).
2.1.3 Szívás • A számítás kezdetén a dugattyú a
felső holtpontban van és a szívó-ütem kezdődik: a szívószelepek
nyitnak a szelepnyitási görbének megfelelően. A dugattyú lefelé indul,
és a kialakult vákuum miatt a szívócsövön levegő áramlik az égéstérbe.
A szívócső elején a levegő szabadon tud áramolni, ami egy szívómotor
működésének felel meg. Érdekes lenne feltöltött motorok vizsgálata is,
ez esetben a bemeneti peremen a feltöltőnek köszönhetően túlnyomással
számolhatnánk. A dugattyú tetejének tányérszerű kiképzése segít az
örvénylő áramlás kialakításában, ami később a keverékképződés
hatásfokát javítja. Szimulációs szempontból kihívás a szelepek
melletti nagy sebességű áramlás miatti instabilitás kezelése.
2.1.4 Sűrítés és munkaütem • 190° fokos elfordulás
után a szívószelepek zárnak. A következő két ütem (sűrítés és munka)
során levegő nem lép az égéstérbe, és nem is távozik onnan. A
levegőáramlást ekkor a dugattyú mozgása és a befecskendezési,
keveredési-égési folyamatok befolyásolják. Sűrítés során a térfogat
csökkenése, a nagymértékű kompresszió miatt bekövetkezik a levegő
sűrűségének és hőmérsékletének növekedése, előkészítve az elegyet a
gyújtásra.
2.1.5 Kipufogás • A kitolási ütemben a kipufogógáz
a nyitott kipufogószelepen és kipufogócsövön át a szabadba távozik.
Végül ennek az ütemnek a végén véget érnek az előírt események.
Természetesen kivitelezhető itt a következő ciklussal való folytatás
is, ennek azonban ismét jelentős erőforrásigényére hívnánk fel a
figyelmet.
2.2 Égés • Az égés modellezéséhez az Ansys Fluent
beépített modelljét használtuk. Ennek alkalmazásakor nagy kihívás volt
a szükséges paraméterek meghatározása.
Amint egy égésmodellt is beépítünk az áramlási
modellbe, az időintervallumot újabb eseményekkel oszthatjuk: a
sűrítési ütembe való befecskendezés kezdete és vége.
Felső holtpont előtt 5°-kal megtörténik a gyújtás,
melyet a rendszerbe a gyertya helyén bevezetett 0,1 J energia jelez,
ami elég a keverék meggyújtásához.
Üzemanyagnak indolene-t választottunk, ami szabványosított üzemanyag,
és nem tartalmaz adalékokat, ezért ideális vizsgálatokhoz. Moláris
tömege megegyezik az oktánéval.
A szimulációs szoftver számolja a lángfront
lamináris és turbulens sebességét, az exoterm folyamatból felszabaduló
energia mennyiségét. Az áramlási tartomány peremein a hőmérséklet és a
hőátadási tényező is meghatározásra kerül, ez a további számítások
alapjául szolgálhat.
2.3 A szimuláció eredményei
2.3.1 Futási jellemzők • A szimuláció komplexitása
miatt jelentős gépigényű, ezért a modell finomságának megválasztásánál
kompromisszumra van szükség: a hálóméretet 850 000 tetraéder és
hexaéder elemen belül kellett tartani. Így 16 magon, kb. 100 GB
felhasznált memória segítségével mintegy 34 óra alatt lefut egy
ciklus. Az eredményfájlok jelentős helyigényűek, kb. 200 GB adattal
számolhatunk.
A háló finomítása pontosabb eredményekhez
vezethetne. Például ha határrétegeket készítenénk a falak mentén,
akkor a fali sebesség-gradiens és turbulenciajelenségek
felismerhetőbbek lennének, ezzel javítva az eredmények minőségét. A
futásidő miatt korlátozottak a finomítási lehetőségek.
2.3.2 Számítási eredmények • Időfüggő számítást
végeztünk, ezért a hőmérséklet, nyomás, üzemanyag koncentrációjának
időbeli lefutását is követni tudjuk. Számítási eredményeink szerint a
középnyomás tetőpontja kb. 32 bar, ami összhangban van az elméletből
várt adatokkal.
3. Összefoglalás
A kifejlesztett szimulációs modell az égéstérben lezajló áramlási és
égési folyamatok számítására szolgál. Eredményeink önmagukban is
érdekes információval szolgálnak, ezenkívül peremfeltételként (fali
hőmérsékletek és hőátadási tényezők formájában) átvihetőek és
felhasználhatóak a határoló alkatrészek véges elemes hőtani és
hőtágulási elemzéseihez.
Az ilyen módon számolt felmelegített alkatrészek dinamikai és
súrlódási szimulációkban való felhasználása jelentős lépés lehet a
motor súrlódási veszteségeinek előrejelzésében és hosszabb távon
hatékony optimalizálási módszerrel szolgálhat.
Kulcsszavak: számítógépes áramlástan (CFD), számítógépes
szimulációk, belsőégésű motorok, égés
IRODALOM
Ansys Fluent:
WEBCÍM >
Heywood, J. B. (1988): Internal Combustion
Engine Fundamentals. McGraw-Hill,.
Hohler Zs. – Morauszki T. – Dreyer, M. R.
(2011): Hőterjedés és hőtágulás szimulációja a motorblokkban. In:
Csibi V.-J. (szerk.): OGÉT 2011 – a XIX. Nemzetközi Gépészeti
Találkozó Konferencia Kiadványa. Csíksomlyó, 2011. 04. 28–2011. 05.
01. Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság
Tóth A. – Morauszki T. – Dreyer, M. R.
(2011): Áramlás és hőátadás szimulációja az égéstérben. n: Csibi V.-J.
(szerk.): OGÉT 2011 – a XIX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó
Konferencia Kiadványa. Csíksomlyó, 2011. 04. 28–2011. 05. 01. Erdélyi
Magyar Műszaki Tud. Társaság
Morauszki T. – Mándli P. – Horváth Z. –
Dreyer, M. R. (2011): Simulation of Fluid Flow, Combustion and Heat
Transfer Process in Internal Combustion Engines. Hungarian Journal of
Industrial Chem.. 39, 1, 27–31. •
WEBCÍM >
|