UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Jan ŠIMIĆ NUMERIČNA SIMULACIJA PROCESA ZGOREVANJA V DIZELSKEM MOTORJU OB UPORABI RAZLIČNIH MODELOV ZGOREVANJA Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje Strojništvo Maribor, junij 2014
NUMERIČNA SIMULACIJA PROCESA ZGOREVANJA V DIZELSKEM MOTORJU OB UPORABI RAZLIČNIH MODELOV ZGOREVANJA Diplomsko delo Študent: Študijski program: Smer: Jan ŠIMIĆ Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo Mentor: Somentor: red. prof. dr. Breda KEGL dr. Luka LEŠNIK Maribor, junij 2014
Vložen original sklepa o potrjeni temi diplomskega dela - I -
I Z J A V A Podpisani Jan ŠIMIĆ izjavljam, da: je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom red. prof. dr. Brede KEGL in somentorstvom dr. Luka LEŠNIKA ; predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi; soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet Univerze v Mariboru. Maribor, 28.06.2014 Podpis: - II -
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorici red. prof. dr. Bredi KEGL in somentorju dr. Luki LEŠNIKU za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij. - III -
»Machinery that gives abundance has left us in want. Our knowledge has made us cynical; our cleverness, hard and unkind. We think too much and feel too little. More than machinery, we need humanity. More than cleverness, we need kindness and gentleness. Without these qualities, life will be violent and all will be lost.«(charlie Chaplin) - IV -
NUMERIČNA SIMULACIJA PROCESA ZGORAVANJA V DIZELSKEM MOTORJU OB UPORABI RAZLIČNIH MODELOV ZGOREVANJA Ključne besede: Modeli zgorevanja, dizelski motorji, programski paket BOOST, karakteristike motorja, numerični izračun. UDK: 519.6:621.436.1.019(043.2) POVZETEK: Numerične simulacije nam lahko skrajšajo potreben čas za razvoj novega motorja ter zmanjšajo potrebno število eksperimentalnih testiranj. V predstavljenem diplomskem delu so bili testirani štirje matematični modeli (Vibe, 2-conski Vibe, Woschni/Anisits in AVL/MCC) za popis razmer zgorevanja v avtobusnem dizelskem motorju MAN. Dobljeni rezultati (numerične simulacije, tlak v valju motorja, sproščena toplota pri zgorevanju, moč in navor motorja ter specifična poraba goriva) so bili primerjani z eksperimentom. Na osnovi analize in primerjave dobljenih rezultatov je ugotovljeno, da veliko vlogo igrajo nastavitveni parametri v posameznih modelih in da je treba poiskati njihove optimalne vrednosti. Z optimalno izbranimi vrednostmi nastavitvenih parametrov je bilo doseženo najboljše ujemanje numeričnih rezultatov z eksperimentom z modelom AVL/MCC. - V -
NUMERICAL SIMULATION OF COMBUSTION PROCESS IN DIESEL ENGINE BY USAGE OF DIFFERENT COMBUSTION MODELS Key words: Combustion models, diesel engine, software package BOOST, characteristics of the engine, numerical calculations. UDK: 519.6:621.436.1.019(043.2) ABSTRACT Numerical simulations can shorten the time required to develop a new engine and reduce the required number of experimental tests. In the present thesis were four numerical models on test (Vibe, Vibe 2-Zone, Woschni/Anisits and AVL MCC) for numerical simulation of combustion process in diesel bus engine MAN. The obtained results (numerical simulations, pressure in the cylinder, rate of heat released, power, torque and BSFC) were compared with the experiment. Based on the analysis and comparison of the results obtained have been found to play a major role in setting the parameters of individual models and the need to find their optimal values. The selected optimal values of configuration parameters were achieved best fit the numerical results with the experiment with the model AVL/MCC. - VI -
KAZALO 1 UVOD... - 1-1.1 NAMEN, CILJI, TEZE, PREDPOSTAVKE IN OMEJITVE DIPLOMSKEGA DELA...- 1-2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE... - 2-2.1 ZGODOVINA DIZELSKIH MOTORJEV...- 2-2.2 ZGODOVINA BREZDIMENZIJSKIH MODELOV ZGOREVANJA...- 3-3 OPIS PROGRAMA ZA SIMULIRANJE DELOVANJA MOTORJEV... - 4-3.1 OPIS DELOVANJA PROGRAMA AVL BOOST...- 4-3.2 OPIS MODELOV ZGOREVANJA IZ PROGRAMA AVL BOOST...- 6-3.2.1 VIBE... - 6-3.2.2 2-CONSKI VIBE... - 8-3.2.3 WOSCHNI/ANISITS... - 9-3.2.4 AVL MCC MODEL ZGOREVANJA... - 10-3.3 SPECIFIKACIJE MOTORJA...- 12-3.4 PREIZKUŠANJE MOTORJA (IZBIRA RAČUNSKIH TOČK)...- 14-3.4.1 ESC TEST... - 14-3.4.2 WHTC TEST... - 15-3.5 MODELI ZGOREVANJA PRI PRIVZETIH VREDNOSTIH...- 16-3.5.1 VIBE... - 16-3.5.2 2-CONSKI VIBE... - 17-3.5.3 WOSCHNI/ANISITS... - 17-3.5.4 AVL MCC... - 17-4 REZULTATI... - 18-4.1 PRIMERJAVA NUMERIČNIH SIMULACIJ Z EKSPERIMENTOM OB UPORABI RAZLIČNIH MODELOV ZGOREVANJA PRI PRIVZETIH NASTAVITVAH...- 18-4.2 MODELI ZGOREVANJA PRI OPTIMALNIH VREDNOSTIH PARAMETROV...- 22-4.3 PRIMERJAVA NUMERIČNIH SIMULACIJ Z EKSPERIMENTOM OB UPORABI RAZLIČNIH MODELOV ZGOREVANJA PRI OPTIMALNIH NASTAVITVAH...- 23-5 SKLEP... - 27-5.1 NAPOTKI ZA NADALJNJE DELO...- 27 - - VII -
6 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV:... - 28 - - VIII -
UPORABLJENI SIMBOLI Q dovedena toplota a parameter funkcije Vibe k gostota turbulentne kinetične energije Ccomb zgorevalna konstanta α kot ročične gredi α0 začetek zgorevanja y relativni del celotnega časa, v katerem opazovalni del goriva zgori α0 kotni interval zgorevanja m faktor oblike karakteristike zgorevanja n vrtilna frekvenca motorja x delež mase goriva, ki je zgorel od začetka procesa zgorevanja Qw izguba toplote skozi steno - IX -
UPORABLJENE KRATICE DI Direct Injection (direktni vbrizg) ESC European Stationary Cycle (Evropski stacionarni test) WHTC World Harmonized Vehicle Cycle (Svetovno usklajen cikel vozila) RG ročična gred ZML zgornja mrtva lega SML spodnja mrtva lega D2 dizelsko gorivo BMEP Brake Mean Effective Pressure (srednji efektivni tlak) KST karakteristika sproščanja toplote BSFC Brake specific fuel consumption (specifična poraba goriva) RPM Revolutions per Minute (število obratov na minuto) PMC Premixed combustion model (mešan model zgorevanja) CSV Comma-separated values (vrednosti ločene z vejico) QMCC količina sproščene toplote pri difuzijskem zgorevanju [kj] QPMC količina sproščene toplote pri kinetičnem zgorevanju [kj] CComb konstanta zgorevanja [kj] CRate mešana konstanta [s] mf masa goriva [kg] LCV spodnja kurilna vrednost goriva [kj/kg] V volumen zgorevalnega prostora [m 3 ] w Oxygen,avaiable količina v zgorevalnem prostoru prisotnega kisika [-] - X -
1 UVOD 1.1 Namen, cilji, teze, predpostavke in omejitve diplomskega dela Namen diplomske naloge je raziskati in preučiti uporabnost različnih modelov zgorevanja implementiranih v programskem paketu AVL BOOST. Iz rezultatov bo razvidna odvisnost rezultatov numeričnih simulacij od nastavitve posameznih modelov zgorevanja. Modeli zgorevanja pa so primerni za preučevanje procesa zgorevanja pri motorjih z notranjim zgorevanjem. V odvisnosti od nastavitve parametrov nam posamezni modeli dajejo boljše oziroma slabše ujemanje numeričnih rezultatov z eksperimentalnimi rezultati, zato so eni bolj, drugi pa manj primerni. Numerične simulacije nam lahko skrajšajo potreben čas za razvoj novega motorja ter zmanjšajo potrebno število eksperimentalnih testiraj. V predstavljeni nalogi so bile meritve opravljene na motorju MAN 2566 MUM, ki ga najdemo v Laboratoriju za motorje z notranjim zgorevanjem. Predpostavljamo, da bodo rezultati numeričnih simulacij odvisni od nastavitve parametrov modelov zgorevanja. Omejitev pa je testiranje štirih modelov zgorevanja pri enem režimu delovanja motorja, ostalih modelov in režimov pa žal ne bom preizkušal. - 1 -
2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE 2.1 Zgodovina dizelskih motorjev Začetki dizelskega razvoja segajo v konec devetnajstega stoletja, ko je francoski inženir Rudolf Diesel patentiral idejo o visoko komprimiranemu čistemu zraku in naknadnemu vbrizgu goriva, ki bi nadomestil predvsem parne lokomotive. Zaradi številnih zapletov je bil razvoj kar precej dolg, saj se je izkazalo, da so eksplozije v valjih motorja preveč silovite za takrat preizkušene materiale. Leta 1897 pa je bil motor razvit tako daleč, da so ga lahko prvič zagnali [5], [8]. Pri dizelskih motorjih je vžig goriva zasnovan na principu samovžiga pri visokih tlakih in temperaturah v valju motorja. Pri prvih dizelskih motorjih je bil dovod goriva zasnovan s pomočjo stisnjenega zraka, ki ga je proizvedel kompresor. Komponente za vbrizgavanje goriva pa so v uporabi že od leta 1930 pa vse do dandanes. Dizelski motor, ki je pri svojem prvem testnem teku brez motenj dosegel 30% efektivni izkoristek je od takrat pa vse do danes obdržal status toplotnega stroja z najvišjim izkoristkom [8]. Prvi dizelski motorji z direktnim vbrizgom (DI) so delovali pri nizkem kompresijskem razmerju in pod nizkim tlakom vbrizga. Zato so zahtevali zelo posebne čase vbrizga, posledično z veliko zakasnitvijo vžiga. V tabeli 2.1 lahko vidimo obdobja, dogodke in izboljšave dizelskega motorja. [10]. - 2 -
Tabela 2.1: Obdobja, dogodki in izboljšave dizelskega motorja [3] Obdobje Dogodki Izboljšave Zgodnja 1970 Pozna 1970 in zgodnja 1980 Srednja 1980 in zgodnja 1990 Glavni problem je bil delovna doba motorja in viden dim Izboljšana ekonomičnost goriv Zmanjšanje hrupa, emisija NOx, HC in CO Izboljšana zasnova komponent motorja, preprečitev sekundarnega vbrizga goriva Izboljšana oblika zgorevalne komore Povišan tlak vbrizga goriva še posebej pri nižjih hitrostih 1990-2000 Zmanjšanje delcev Turbo-polnilnik, elektronsko krmiljenje vbrizga, časoven vbrizg goriva 2000-2006 Strožja okoljevarstvena zakonodaja Elektronsko krmiljen tlak vbrizga Dandanes po skoraj treh stoletjih razvoja motorjev z notranjim zgorevanjem postajajo pomembni drugi faktorji. Med njimi sta trenutno najbolj pomembna zmanjšanje emisij škodljivih plinov in zmanjšanje porabe goriva, k čimer so v preteklosti tudi strmeli [3]. 2.2 Zgodovina brezdimenzijskih modelov zgorevanja Ti tipi modelov so zelo priljubljeni zaradi njihove preprostosti in uporabe enostavnih algebraičnih enačb za opis sproščanja toplote. Lynovo delo (Austen in Lyn 1960) je bila prva prepoznavna povezava med vbrizganim gorivom in stopnjo sproščanja toplote. Diagram stopnje vbrizga je razdeljen na elementarne pakete goriva, ki so prikazani kot pravokotni impulzi, čigar rezultanta je eksponentno padajoča funkcija sproščanja toplote [10]. - 3 -
Vezi s tem je nastala globalna funkcija sproščanja toplote, ki jo je zapisal Vibe leta 1970. Zajema zelo širok spekter dizelskih motorjev in se uporablja tudi danes. V tabeli 2.2 prikaz razvoja modelov zgorevanja [10]. Tabela 2.2: Prikaz razvoja modelov zgorevanja [10] Avtor (leto) Specifikacije modela Opomba Austen in Lyn (1960) Vibe (1970) Shaded (1970) Dent in Metha (1981) Hiroyasu (1983) Cartillieri in Johns (1983) Gosman (1985) Chamela in Orthaber Direktna zveza med količino vbrizganega goriva in sproščeno toploto Eksponentna funkcija z empiričnimi konstantami Detajlni izračun dvodimenzionalnega osno simetričnega pršenja Trodimenzionalna metoda končnih volumnov Kontrolirano zgorevanje z mešanjem Ni univerzalnih konstant Ni vpliva na stopnjo vbrizganja in zgorevalno komoro Konstanta je odvisna od motorja Brez vpliva na obremenitev in hitrost Volumsko obsežni izračuni Brez škodljivih vplivov na steno valja 3 OPIS PROGRAMA ZA SIMULIRANJE DELOVANJA MOTORJEV 3.1 Opis delovanja programa AVL BOOST Programski paket BOOST simulira zelo širok spekter motorjev, od 4-taktnih, 2-taktnih, s prisilnim vžigom ali s samovžigom, od velikih ladijskih motorjev, do zelo majhnih motorjev za industrijske namene. Z njim je možno simulirati tudi pnevmatske sisteme [2]. - 4 -
BOOST odlikuje enostavna uporaba, kratki računski časi, dobra odzivnost, odličen grafični vmesnik ter možnost naknadne obdelave podatkov in njihov nazoren prikaz [7]. Programski paket AVL BOOST je zgrajen iz treh osnovnih modulov in sicer iz predprocesorja, glavnega programa in poprocesorja [8]. Predprocesor: V predprocesorju oblikujemo model motorja s pomočjo grafičnega vmesnika, z izbiro potrebnih elementov iz menija. Kasneje jim definiramo geometrijske in termodinamične veličine, zaradi česar se formira enodimenzionalna struktura vzdolž toka plinov vse od začetka sesanja do izpusta izpušnih plinov v okolico [8]. Glavni program: Glavni program vsebuje vse matematične modele za izračun razmerij znotraj vseh razpoložljivih elementov. V ceveh je tok obravnavan kot enodimenzionalen, tlaki, temperature in hitrosti pa so vzeti kot povprečne vrednosti rešitev enačb dinamike toka čez posamezne preseke [8]. Poprocesor: Analizo rezultatov opravimo v interaktivnem poprocesorju. Na izbiro imamo več možnosti: analiza spremenljivk, analiza serije izračunov in akustično analizo. Poprocesor omogoča tudi izvoz rezultatov (na primer kot CSV), ki jih lahko uporabimo v drugih programih. V predstavljeni nalogi je bil uporabljen zapis CSV v Microsoftovem Excelu 2013 [8]. - 5 -
Slika 3.1: Delovno okno programa AVL BOOST 3.2 Opis modelov zgorevanja iz programa AVL BOOST Če želimo videti potek karakteristike sproščanja toplote v valju, moramo modelirati proces zgorevanja. V nadaljevanju so opisani fizikalni modeli sproščanja toplote in zgorevanja, ki so vključeni v programski paket BOOST [7]. 3.2.1 Vibe Vibe ali Vibejeva funkcija je diferencialna enačba, s katero najpogosteje aproksimiramo dejansko sproščanje toplote v valju motorja. dx dα = a (m + 1) y m e a y(m+1) [3.1] Δα C - 6 -
dx = dq Q [3.2] y = α α 0 Δα C [3.3] Delež mase goriva, ki je zgorel od začetka zgorevanja dobimo tako, da enačbo integriramo. x = dx dα dα = 1 - e a y(m+1) [3.4] Če imamo popolno zgorevanje, izberemo za a vrednost 6,9 [2], [7]. Slika 3.2: Nastavljanje parametrov funkcije Vibe - 7 -
3.2.2 2-conski Vibe 2-conski Vibe ali Vibe 2-Zone model zgorevanja je nadgradnja Vibe-a. Ta ima namreč to pomanjkljivost, da uporablja predpostavko da sta temperaturi zgorele in nezgorele zmesi v valju motorja enaki. 2-conski Vibe model pa zato upošteva različni temperaturi za zgorelo in nezgorelo zmes. Za vsako cono je uporabljen prvi zakon termodinamike in sicer: dm b u b dα dv b = p c dα + dq F dα dq Wb dα + h dm b u dα h dm BB,b BB,b dα [3.5] dm u u u dα dv u = p c dα dq Wu dα h dm B u dα h dm BB,u BB,u dα [3.6] - indeks b označuje zgorelo zmes - indeks u označuje nezgorelo zmes S pomočjo Vibejeve funkcije določimo karakteristiko sproščanja toplote. Toplotni tok med obema conama zanemarimo [2], [7]. Slika 3.3: Nastavljanje parametrov funkcije dvoconskega Vibea - 8 -
3.2.3 Woschni/Anisits Fizikalna modela Vibe in 2-conski Vibe lahko uporabimo le v posamezni točki obratovanja motorja, pri točno določenih parametrih funkcije Vibe. S spremembo delovnega režima motorja oziroma s spremembo vrtilne frekvence in obremenitve pa se spremeni karakteristika sproščanja toplote [2]. Pri motorjih z notranjo pripravo zmesi (dizelski motorji) se uporablja za simulacijo prehoda v novi delovni režim Woschni/Anisits model sproščanja toplote. Woschni/Anisits model določa parameter Vibejeve funkcije in s tem spročanje toplote glede na pogoje delovanja dizelskega motorja. Za začetno obratovalno točko moramo določiti Vibejevo funkcijo in parametre [2]. Na podlagi enačbe določimo trajanje zgorevanja Δα c (kotni interval zgorevanja) v novi obratovalni točki. Δα c = Δα c,ref ( AF ref AF )0,6 ( n 0,5 ) n ref [3.7] Na podlagi enačbe določimo faktor oblike karakteristike zgorevanja m v novi obratovalni točki [2], [7]. m = m ref ( id ref ) ( p IVC ) ( T IVC,ref id p IVC,ref T IVC ) ( n 0,3 ) n ref [3.8] - 9 -
Slika 3.4: Nastavljanje parametrov Woschni/Anisits 3.2.4 AVL MCC model zgorevanja AVL MCC model zgorevanja se uporablja za določanje količine NOx in CO emisij in za določanje karakteristike sproščanja toplote v dizelskem motorju. Tako sproščena toplota, kakor NOx in CO emisije so neposredno odvisne od količine vbrizganega goriva v valj motorja in dovedene kinetične energije pri vbrizgavanju. Uporabnik mora določiti osnovne vhodne podatke. To so število izvrtin šobe, premer izvrtine vbrizgalne šobe, iztočni koeficient izvrtine in tlak vbrizganja. Program na podlagi teh podatkov izračuna hitrost curka goriva in s pomočjo le-te določi kinetično energiji vbrizganega goriva [2], [7]. Za krivuljo sproščanja toplote pri dizelskih motorjih sta značilna dva maksimuma. Prvi maksimum se pojavi v drugi periodi zgorevanja, ko se vrši nekontrolirano zgorevanje ali zgorevanje s hitrim naraščanjem tlaka. V tej periodi zgoreva vnaprej pripravljena zmes v obliki kinetskega plamena, to je gorivo, ki je bilo vbrizgano v prvi fazi ali v času zakasnitve vžiga. Drugi maksimum pa se pojavi v času tretje periode. Zgorevanje poteka v obliki difuzijskega plamena [2], [7]. - 10 -
Glavna prednost AVL/MCC modela je posamična obravnava obeh period. Tako je skupna sproščena toplota med procesom zgorevanja enaka vsoti sproščene toplote v drugi in tretji periodi, kar lahko zapišemo z enačbo dq total dα = dq MCC dα + dq PMC dα [3.9] II. perioda nekontrolirano zgorevanje ali zgorevanje s hitrim naraščanjem tlaka Pri tej periodi uporabljamo PMC model zgorevanja. Za določitev karakteristike sproščanja toplote uporabljamo Vibejevo funkcijo in sicer: ( dq PMC Q PMC ) dα = α Δα c (m + 1) y m e -a y(m + 1) [3.10] y = α α id Δα c [3.11] Q PMC = m fuel,id C PMC [3.12] Δac = τ id C PMC Dur [3.13] III. perioda mehansko kontrolirano zgorevanje Karakteristika sproščanja toplote je v tej periodi funkcija razpoložljive količine goriva (f1) in gostote turbulentne kinetične energije (f2): dq MCC dα = C comb f 1 (m F, Q MCC ) f 2 (k,v) [3.14] f 1 (m f, Q) = (m f Q MCC LVC ) (w Oxygen,avaiable) C EGR [3.15] - 11 -
f 2 (k, V) = C rate k 3 V [3.16] [2], [7]. Slika 3.5: Nastavljanje parametrov funkcije AVL/MCC 3.3 Specifikacije motorja Meritve so bile opravljene na motorju MAN 2566 MUM, ki se nahaja v Laboratoriju za motorje z notranjim zgorevanjem. Motor je generalno obnovljen, pred tem je bil nameščen v avtobusu in ima za sabo prevoženih 500.000 km. V tabeli 3.1 navajam parametre motorja [6], [7]. - 12 -
Tabela 3.1 Parametri motorja MAN 2566 MUM [6] Tip motorja 4-taktni motor s 6-imi cilindri, vodno hlajen Delovna prostornina motorja 11 413 cm 3 Kompresijsko razmerje 17,5 Premer bata hod bata 125 mm x 155 mm Največja moč 162 kw pri 220 min -1 Sistem za vbrizg goriva Direkten M sistem vbrizgavanja Črpalka za vbrizg goriva Bosch PES 6A 95D 410 LS 2542 Črpalni bat (premer x dvig) 9,5 mm x 8 mm Črpalka za gorivo (dolžina x premer) 1024 mm x 1,8 mm Brizgalne šobe (število x premer) 1 x 0,68 mm Maksimalni dvig igle 0,3 mm Tlak odpiranja igle 175 bar Slika 3.6: Razporeditev merilnih mest na motorju MAN 2566 MUM [6] Izračun srednjega efektivnega tlaka pe motorja MAN 2566 MUM: pe = 1200 P e V h n = 1200 146 11,4 2030 = 7,57 bar [3.9] Pe efektivna moč motorja (kw) Vh delovna prostornina motorja (dm 3 ) n vrtilna hitrost motorja (min -1 ) - 13 -
3.4 Preizkušanje motorja (izbira računskih točk) Preizkušanje motorja se izvaja pri natančno določenih pogojih, ki predpisujejo način izvajanja eksperimentalnih meritev, vrednotenje rezultatov glede na stanje okolice, prikazovanje v diagramih, neodvisno spremenljivko in ostale veličine [5]. Najbolj primeren način delovanja za preizkušanje motorja je pri izpolnjenem pogoju ravnovesja delovne skupine, ko je navor motorja enak navoru upora zavore oziroma delavnega stroja [5]. MM = MDS [3.10] Enačba 3.10 je pogoj za ustaljen režim delovanja motorja. Zanj je značilno da so merjeni parametri časovno neodvisni, kar pa je v praksi nemogoče. Preizkušanja se zato vršijo pri kvaziustaljenih pogojih delovanja motorja tolerirajo se manjša časovna nihanja parametrov motorja v vnaprej dogovorjenih in določenih mejah. Karakteristike pri kvaziustaljenih pogojih imenujemo statične karakteristike. Glede na neodvisno spremenljivko so lahko hitrostne, obremenitvene in specifične karakteristike [5]. Rezultati eksperimentalnih meritev preizkušanja motorja se večinoma prikažejo v obliki diagramov. Med seboj povežemo posamezne diskretne točke določenih parametrov motorja. Te odvisnosti oziroma trendi v obliki diagramov so karakteristike motorjev [5]. 3.4.1 ESC test ESC test se izvede v 13-ih stacionarnih točkah z različnimi obremenitvami in vrtilnimi frekvencami. Eksperimentalne meritve so bile izvedene v vseh 13-ih točkah, vendar so se zaradi poenostavitve diplomskega dela numerične simulacije izvajale samo v točki 10. V primeru obravnave skupne količine formiranih emisij se le-te izračunajo z upoštevanjem utežnostnih faktorjev. Na sliki 3.7 vidimo ESC test in njegove utežnostne faktorje [6], [7], [11]. - 14 -
Slika 3.7: ESC test in utežni faktorji [7] Tabela 3.2 ESC test [7] točka vrtilna frekvenca motorja [min -1 ] obremenitev [%] utežnostni faktor [%] trajanje 1 spodnji prosti tek 0 15 4 minute 2 1360 100 8 2 minuti 3 1700 50 10 2 minuti 4 1700 75 10 2 minuti 5 1360 50 5 2 minuti 6 1360 75 5 2 minuti 7 1360 25 5 2 minuti 8 1700 100 9 2 minuti 9 1700 25 10 2 minuti 10 2030 100 8 2 minuti 11 2030 25 5 2 minuti 12 2030 75 5 2 minuti 13 2030 50 5 2 minuti 3.4.2 WHTC test Zaradi zastarelosti ESC testa (uporabljati se je začel leta 1999) se danes uporablja WHTC test. To je kratica za World Harmonized Stationary Cycle. Ta preizkus se izvaja v stanju dinamičnega ravnovesja motorja in je opredeljen v globalnem tehničnem predpisu (GTR) No. - 15 -
4 [2622]. Je usklajen postopek za certificiranje emisij izpušnih plinov. Razvila ga je skupina UN ECE GRPE. V tabeli 3.3 je prikazan WTHC test [11]. Tabela 3.3 WHTC test [11] Režim Hitrost Obremenitev Utežnostni faktor - % % - 0 Prosti tek - 0,24 1 0 0 0,17/2 2 55 100 0,02 3 55 25 0,10 4 55 70 0,03 5 35 100 0,02 6 25 25 0,08 7 45 70 0,03 8 45 25 0,06 9 55 50 0,05 10 75 100 0,02 11 35 50 0,08 12 35 25 0,10 13 0 0 0,17/2 3.5 Modeli zgorevanja pri privzetih vrednostih Privzete vrednosti so tiste, ki jih je vnesel proizvajalec programa in se nam pokažejo pred prvim zagonom simulacije. Te vrednosti so vidne če kliknemo na osnovni shemi na enega izmed valjev. Ko se odpre meni izberemo v zavihku Zgorevanje (ang. Combustion) model zgorevanja in prikazale se nam bodo vrednosti. Modeli sledijo po zaporedju od zgoraj navzdol v programskem paketu BOOST. 3.5.1 Vibe Med prvimi modeli zgorevanja je obravnavan Vibejev model zgorevanja. Na sliki 3.2 so vidne njegove značilnosti. Začetek zgorevanja Start of Combustion 715 RG Trajanje zgorevanja Combustion Duration 75 RG Oblikovni parameter m Shape Parameter m 0,68 Parameter a 6,9 (to vrednost vpišemo kadar imamo popolno zgorevanje) - 16 -
3.5.2 2-conski Vibe 2-conski Vibe model zgorevanja je nadgradnja osnovnega. Na sliki 3.3 so vidne njegove značilnosti. Začetek zgorevanja Start of Combustion 715 RG Trajanje zgorevanja Combustion Duration 65 RG Oblikovni parameter m Shape Parameter m 0,33 Parameter a 6,9 (to vrednost vpišemo kadar imamo popolno zgorevanje) 3.5.3 Woschni/Anisits Woschini/Anisits model ima veliko več parametrov kot Vibe in 2-conski Vibe. Iz slike 3.4 jih lahko razberemo kar 9. Pri Woschni/Anitsits modelu proizvajalec žal ni podal privzetih vrednosti, zato jih nisem mogel predpostaviti brez eksperimentalnih meritev. Spodnje vrednosti so bile vpisane ko sem prvič zagnal numerično simulacijo. Začetek vbrizga goriva Start of Injection 10 RG Zakasnitev vžiga Ignition Delay 4 RG Trajanje zgorevanja Combustion Duration 65 RG Oblikovni parameter m Shape Parameter m 0,5 Parameter a 6,9 (to vrednost vpišemo kadar imamo popolno zgorevanje) Razmernik zrak/gorivo A/F ratio 14,7 Hitrost motorja Engine Speed 2000 rpm Tlak Pressure 0,8 bar Temperatura Temperature 312 C 3.5.4 AVL MCC Model zgorevanja, ki ga je razvil AVL ima podobno kot Woschni/Anisits model veliko spremenljivk, ki jih je potrebno smiselno nastaviti. Na sliki 3.5 lahko vidimo nastavitve teh spremenljivk. Število izvrtin za vbrizg Number of Injector holes 1 Premer izvrtine Hole Diameter 0,68 Koeficient sprostitve Discharge Coefficient 0,65 Tlak v visokotlačni cevi vbrizgalnega sistema Rail Pressure 175 bar Parameter kalibracije zakasnitve vžiga Ignition Delay Calibration Factor 1 Parameter zgorevanja Combustion Parameter 1 Parameter turbulence Turbulence Parameter 1 Parameter disipacije Dissipation Parameter 1 EGR Influence Parameter EGR Parameter 1 Parameter kinetičnega zgorevanja Premixed Combustion Parameter 0,7-17 -
4 REZULTATI Pri rezultatih bodo predstavljena primerjava numeričnih simulacij ob uporabi različnih modelov zgorevanja pri privzetih in pri optimalnih vrednostih. 4.1 Primerjava numeričnih simulacij z eksperimentom ob uporabi različnih modelov zgorevanja pri privzetih nastavitvah Primerjal sem tlak v valju v odvisnosti od kota zasuka ročične gredi, karakteristiko sproščanja toplote, moč, navor, srednji efektivni tlak in specifično porabo goriva numeričnih modelov zgorevanja (Vibe, 2-conski Vibe, Woschni/Anisits ter AVL MCC ) z eksperimentalnimi rezultati. Za začetek sem pognal numerične simulacije pri vseh modelih zgorevanja pri njihovih privzetih vrednostih. To so vrednosti, ki jih je določil proizvajalec programa, niso univerzalne, zato se ne prilagajajo vsem eksperimentalnim modelom. Kasneje sem moral njihove parametre zaradi prevelikega odstopanja prilagoditi eksperimentalnim rezultatom. Kot lahko vidimo začne na grafu 4.1 eksperimentalna meritev intenzivno naraščati pri 350 RG. To je posledica zgorevanja. Maksimalen tlak v valju je 93 barov, dosežen pri 370 RG, nato pa začne intenzivno padati. Od vseh numeričnih modelov se je eksperimentalni meritvi se je najbolje približal Woschni/Anisits model zgorevanja, čeprav zelo slabo. Svoj maksimum doseže pri 78 barih, kar je 16% manj kot eksperimentalna meritev. Odstopanje je preveliko in je zato nedopustno. Še slabše sta se približala Vibe in Vibe 2-Zone, ki se prekrivata (zato pikčastega Vibea ni videti na grafu). Najslabše pa se izkazal AVL MCC model, ki je za razliko od vseh prejšnjih dosegel dva maksimuma. Prvega pri 51 barih in drugega pri 35 barih. Odstopanje je v pri maksimalni kar 45%. - 18 -
Tlak p [bar] 100 90 80 70 60 50 40 30 Eksperimentalna meritev Vibe Vibe 2-Zone AVL MCC Woschni/Anisits 20 10 0 230 250 270 290 310 330 350 370 390 410 430 450 470 490 Kot α [ RG] Graf 4.1: Primerjava tlaka pri privzetih nastavitvah Iz grafa 4.2, ki prikazuje karakteristiko sproščanja toplote lahko razberemo, koliko Joulov toplote se sprosti pri zasuku RG za eno stopinjo. Toplota v valju se začne sproščat po začetku zgorevanja. Iz grafa 4.2 na katerem je prikazana karakteristika sproščanja toplote lahko razberemo»eksperimentalne meritve«, ki smo jih izračunali iz meritve tlaka v valju motorja, da je maksimum sproščanja toplote pri 366 RG. Takrat doseže vrednost okoli 200 Joulov na stopinjo zasuka RG. Vidimo lahko tudi, da začne graf nihat pri 385 RG, medtem ko je pri vseh numeričnih simulacijah nihanje bolj gladko in manj sunkovito na koncu. Tudi v tem primeru se je od vseh numeričnih modelov eksperimentalnemu najbolje približal Woschni/Anisits. Maksimum doseže pri 367 RG, potem pa se odvija bolj položno kot eksperimentalna meritev. Je zamaknjen za 10 RG, tako da se začne toplota sproščat kasneje. Odstopanje v maksimalne vrednosti znaša 20%. Še slabše se izkažeta Vibe in Vibe 2-Zone, ki se zaradi enakih privzetih nastavitev ponovno pokrivata. Sta še bolj zamaknjena in pri maksimumu dosežeta še nižje sproščanje toplote. Odstopanje je posledično še večje ( 35%), graf pa je na koncu še bolj položen. Najslabše se izkaže AVL MCC model. Zamik sproščanja toplote kasnejši za kar 20 RG, medtem ko je odstopanje sproščanja toplote v maksimalni točki presenetljivo najmanjše. Znaša zgolj 5%. - 19 -
Moč [kw] KST [J/ RG] 250 200 150 100 "Eksperimentalna meritev" Vibe Vibe 2-Zone AVL MCC Woschni/Anisits 50 0 340 350 360 370 380 390 400-50 Kot α [ RG] Graf 4.2: Karakteristika sproščanja toplote pri privzetih nastavitvah parametrov Na grafih 4.3 in 4.4 ki prikazujeta moč in navor motorja so vsi numerični modeli razen AVL MCC v dopustnih mejah. AVL MCC model ima 15% manjšo moč in navor. 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Eksperimentalna meritev Vibe Vibe 2 Zone Woschni/Anisits AVL MCC Graf 4.3: Moč motorja - 20 -
BMEP [bar] Navor [Nm] 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Eksperimentalna meritev Vibe Vibe 2 Zone Woschni/Anisits AVL MCC Graf 4.4: Navor motorja Na grafu 4.5, ki prikazuje srednji efektivni tlak ter na grafu 4.6, ki prikazuje specifično porabo goriva je ugotovljeno podobno kot pri moči in navoru. AVL MCC model ponovno od vseh ostalih numeričnih najbolj odstopa. V tem primeru je pri srednjem efektivnem tlaku za 15% nižji, pri specifični porabi goriva pa za 15% višji. Ugotavljam, da so odstopanja tlaka in karakteristike sproščanja toplote pri numeričnih modelih prevelike, da bi lahko te modele začeli uporabljati, zato so nujno potrebne korekcije modelov. Iz tega razloga bom uporabil optimalne vrednosti parametrov. 10 8 6 4 2 0 Eksperimentalna meritev Vibe Vibe 2-Zone Woschni/Anists AVL MCC Graf 4.5: Srednji efektivni tlak - 21 -
BSCF [g/kwh] 350 300 250 200 150 100 50 0 Eksperimentalna meritev Vibe Vibe 2-Zone Woschni/Anisits AVL MCC Graf 4.6: Specifična poraba goriva 4.2 Modeli zgorevanja pri optimalnih vrednostih parametrov Eden izmed ciljev diplomskega dela je bil poiskati optimalne vrednosti parametrov. To so tiste vrednosti, ki jih je moral uporabnik spremeniti, jih dopolniti da bi se z numerično simulacijo kar najbolje približal eksperimentalnem rezultatu. Optimalnih vrednosti ne moremo matematično izračunati in jo kar vpisati v program. Na osnovi določenih teoretičnih predpostavk in značilnosti motorja se jih da okvirno predvideti. Iskanje najustreznejših vrednosti pri določenem modelu zgorevanja je lahko dolgotrajen postopek, še posebej ko imamo veliko spremenljivk. Optimalne vrednosti sem iskal tako da sem jih ročno vpisoval v program glede na odzive rezultatov. Na žalost se lahko zgodi, da se pri nekem modelu sploh ne bomo približali eksperimentalni meritvi. Spodaj so podane optimalne vrednosti parametrov: Vibe Začetek zgorevanja Start of Combustion 715 RG Trajanje zgorevanja Combustion Duration 65 RG Oblikovni parameter m Shape Parameter m 0,33 Parameter a 6,9 (to vrednost vpišemo kadar imamo popolno zgorevanje) 2-conski Vibe Začetek zgorevanja Start of Combustion 715 RG Trajanje zgorevanja Combustion Duration 65 RG - 22 -
Oblikovni parameter m Shape Parameter m 0,23 Parameter a 6,9 (to vrednost vpišemo kadar imamo popolno zgorevanje) Woschni/Anisits Začetek vbrizga goriva Start of Injection -14 RG Zakasnitev vžiga Ignition Delay 5,44 RG Trajanje zgorevanja Combustion Duration 38 RG Oblikovni parameter m Shape Parameter m 0,5 Parameter a 6,9 (to vrednost vpišemo kadar imamo popolno zgorevanje) Razmernik zrak/gorivo A/F ratio 14,7 Hitrost motorja Engine Speed 2000 rpm Tlak Pressure 0,8 bar Temperatura Temperature 312 C AVL MCC Število izvrtin za vbrizg Number of Injector holes 1 Premer izvrtine Hole Diameter 0,68 Koeficient sprostitve Discharge Coefficient 0,65 Tlak v visokotlačni cevi vbrizgalnega sistema Rail Pressure 175 bar Parameter kalibracije zakasnitve vžiga Ignition Delay Calibration Factor 0,0001 Parameter zgorevanja Combustion Parameter 9,983 Parameter turbulence Turbulence Parameter 1,8 Parameter disipacije Dissipation Parameter 1 EGR Parameter EGR Influence Parameter 1 Parameter kinetičnega zgorevanja Premixed Combustion Parameter 0,18968 4.3 Primerjava numeričnih simulacij z eksperimentom ob uporabi različnih modelov zgorevanja pri optimalnih nastavitvah Pri optimalnih vrednostih parametrov vidimo drastično spremembo. Numerične simulacije se veliko bolje prilegajo eksperimentu. Iz grafa 4.7, na katerem vidimo model AVL MCC, ki je prej odstopal najbolj, sedaj odstopa najmanj. Eksperimentalno meritev odlično opiše po celotnem delu, razen na maksimumu, kjer je odstopanje 5%. Na maksimumu se z eksperimentom ujemata modela Vibe in Vibe 2-Zone, a žal ne tudi po celotni dolžini. Zakasnjena sta za 10 RG, kar je preveč. Najslabše se je izkazal model Woschni/Anisits. - 23 -
Tlak p [bar] 100 90 80 70 60 50 40 30 Eksperimentalna meritev Vibe Vibe 2-Zone AVL MCC Woschini/Anists 20 10 0 230 250 270 290 310 330 350 370 390 410 430 450 470 490 Kot α [ RG] Graf 4.7: Primerjava tlaka pri optimalnih vrednostih parametrov Enako kot pri tlaku v motorju lahko opazimo tudi pri karakteristiki sproščanja toplote v grafu 4.8 boljše ujemanje v primerjavi s privzetimi vrednostmi. Najbolje opiše eksperimentalno meritev model AVL MCC, najslabše pa ponovno model Woschni/Anisits. Pri vseh treh numeričnih modelih lahko opazimo, da je gradient pred in po maksimumu večji kot pri eksperimentalni meritvi. - 24 -
Moč [kw] KST [J/ RG] 300 250 200 150 100 "Eksperimentalna meritev" Vibe Vibe 2-Zone AVL MCC Woschni/Anisits 50 0 340 350 360 370 380 390 400-50 Kot α [ RG] Graf 4.8: Karakteristika sproščanja toplote Pri moči in navoru iz grafov 4.9 in 4.10 večjih odstopanj numeričnih modelov od eksperimentalne meritve ni mogoče opaziti. 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Eksperiment Vibe Vibe 2 Zone Woschni/Anisits AVL MCC Graf 4.9: Moč motorja - 25 -
BSFC [g/kwh] BMEP [bar] Navor [Nm] 700 600 500 400 300 200 100 0 Eksperimentalna meritev Vibe Vibe 2 Zone Woschni/Anisits AVL MCC Graf 4.10: Navor motorja Pri srednjem efektivnem tlaku na grafu 4.11 in specifični porabi goriva na grafu 4.12 ponovno ni možno opaziti večjih odstopanj, kar pomeni, da so parametri numeričnih modelov zelo dobro izbrani. 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Eksperimentalna meritev Vibe Vibe 2-Zone Woschni/Anisits AVL MCC Graf 4.11: Srednji efektivni tlak 300 250 200 150 100 50 0 Eksperimentalna meritev Vibe Vibe 2-Zone Woschni/Anisits AVL MCC Graf 4.12: Specifična poraba goriva - 26 -
5 SKLEP Namen diplomske naloge je bil raziskati in preučiti uporabnost različnih modelov zgorevanja implementiranih v programskem paketu AVL BOOST. Modeli zgorevanja so bili natančno preučeni in raziskani, ugotovljeno je bilo, da dajejo eni boljše, drugi pa slabše rezultate v primerjavi z eksperimentalno meritvijo, zato so eni bolj, drugi pa manj primerni za raziskovanje razmer v testnem motorju. Iz rezultatov vidimo, da je za izvajanje numeričnih simulacij delovanja dizelskega motorja potrebno določiti optimalne vrednosti parametrov. Brez njih lahko pridemo do napačnih predpostavk in izberemo neustrezni model. S korekcijo parametrov posameznih modelov zgorevanja se je za najboljšega izkazal AVL MCC, modela Vibe in Vibe 2-Zone sta bila takoj za njima, za neustreznega pa Woschni/Anisits. Dajal je prevelika odstopanja pri rezultatih tlaka in karakteristike sproščanja toplote in velikokrat tudi rezultate, ki so praktično nemogoči. Ugotovljeno je bilo tudi da korekcija parametrov veliko manj vpliva na moč in navor motorja, specifično porabo goriva in srednji efektivni tlak, ter veliko bolj na tlak v motorju in na karakteristiko sproščanja toplote, zato bi se bilo smiselno ob nadaljnjem delu osredotočati le na slednja dva. 5.1 Napotki za nadaljnje delo Pri nadaljnjem delu bi bilo zelo smiselno vključiti več računskih točk po ESC testu. Računska točka 10, ki je bila v diplomskem delu uporabljena je ena izmed lažjih za analizo, saj deluje v popolni obremenitvi motorja. Zanimivo bi bilo uporabiti še kako drugo točko pri delni obremenitvi motorja in pogledati kaj se dogaja tam ter poiskati najustreznejši model zgorevanja glede na več ali celo vseh 13 točk ESC testa. Obenem bi lahko za primerjavo namesto ESC testa uporabili novejši WHTC test. Namesto klasičnega dizelskega goriva D2 bi lahko uporabili tudi biodizel ali mešanico kakega drugega goriva. - 27 -
6 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV: [1] AVL BOOST V2010 Theory, Edition 11/2010, AVL, 2010 Edition 11/2010. AVL 2010. [2] AVL BOOST V2010 User guide, Edition 11/2010, AVL, 2010 Edition 11/2010. AVL 2010. [3] John B. Heywood, Internal Combustion Engine Foundamentals, New York Massachusetts Institute of Technology, 1988. [4] Robert Bosch GmbH, Diesel-Engine Management, četrta izdaja. [5] Kegl Breda, Osnove motorjev z notranjim zgorevanjem: univerzitetni učbenik. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2006 [6] Kegl Breda Effects of biodiesel on emissions of a bus diesel engine. Bioresource technology (2008), vol. 99, no. 4, str. 863-873. [7] Štumberger Matevž. Numerična simulacija procesa zgorevanja v dizelskem motorju ob uporabi različnih goriv: diplomsko delo. Maribor 2012 [8] Grah Branko. Vpliv goriv na karakteristike sodobnega dizelskega motorja: diplomsko delo. Maribor 2012 [9] Gregor Dobnik. Vpliv biogoriv na karakteristike dizelskega motorja: diplomsko delo. Maribor 2012. [10] P.A. Lakshminarayanan, Yogesh V. Aghav. Modelling diesel combustion. Dordrecht 2010. [11] Emission test:[svetovni splet]. Dostopno na WWW: https://www.dieselnet.com/standards/cycles/whsc.php [10.3.2014] - 28 -