Особенности моделирования процессов теплообмена в КС двигателя с искровым зажиганием

Рассмотрим теперь особенности моделирования процесса теплоотдачи в камере сгорания бензинового двигателя.

1. Профилируемой частью камеры сгорания в бензиновом, в отличии от дизельного ДВС, является головка. Поскольку КС бензиновых двигателей не осесимметричны, то следует рассматривать 3-х мерную постановку скоростной задачи. Уравнение движения в цилиндрической системе координат (рис. ХХ) будет выглядеть следующим образом:

,

(185)

где q – азимутальный угол, отсчитываемый от выбранного сечения в КС.

Рис. ХХ. К решению скоростной задачи в КС бензинового двигателя

Решение (185) ищется в виде:

,

(186)

где j₀ – связано с вытеснительным эффектом профиля КС, а d_j – отражает переносное движение заряда. Считая камеру сгорания бензинового ДВС неглубокой, можно положить, что u_z имеет линейный характер:

.

(187)

Далее, считая, что переносного движения по координатам r и q нет, решают уравнение движения для составляющей , отыскав которую, находят распределение скоростей

.

(188)

После определения составляющих скорости на границах, воспользовавшись направляющими косинусами, определяют касательные скорости u ₀ к любой точке поверхности КС. Таким образом, скоростную задачу можно считать решенной.

2. Основной особенностью рабочего процесса бензинового ДВС является наличие фронта пламени при выгорании гомогенной смеси. В соответствии с этим, весь объем КС можно условно разделить на два объема – зоны сгоревшего и несгоревшего топлива, разделяемые фронтом нулевой толщины, термодинамические параметры, в которых различны. Скорость турбулентного фронта пламени определяют из выражения:

,

(189)

где S _ф – текущая площадь поверхности фронта; R _ф – текущий сферический радиус фронта; t – время от начала сгорания.

Величины S _ф и R _ф находят из обработки индикаторных диаграмм по известным кривым dx / d j и геометрии КС. Текущий объем, который занимает продукты сгорания, определяют при интегрировании выражения:

,

(190)

где T_g – текущая температура продуктов сгорания.

При этом также считается, что масса рабочего тела, состоящая из продуктов сгорания и несгоревшей части смеси есть величина постоянная: М _пс +М _нс = М =const, а сумма объемов указанных частей равна текущему объему КС: V _пс +V _нс = V_i. Давление во всем объеме КС считается одинаковым: P = idem.

Температура продуктов сгорания может быть определена по уравнению состояния для объема сгоревшей части смеси. Температура несгоревшей части смеси определяется по уравнению адиабаты

,

(191)

где T_с, P_с – температура и давление в цилиндре в конце хода сжатия.

Для расчета локальной теплоотдачи и результирующих температур используют соответствующие температуры для зон сгоревшей и несгоревшей части смеси, контролируя местоположение фронта пламени.

3. При расчете теплоотдачи, поскольку основное движение заряда – радиальное, движение рассматривается вдоль выбранных азимутальных сечений. Точки присоединения потока выбирают в соответствии с направлением течения заряда, определяемого движением поршня.

Для определения степени градиентности потока камера рассекается радиальными лучами и движение рассматривается вдоль них (рис. ХХ). Интенсивность теплообмена определяется по зависимости:

,

(192)

где индекс q в числе определяет номер азимутального сечения.

Рис. ХХ. Азимутальные сечения и распределения скоростей

Поправка на степень турбулентности может быть определена по Р.М. Петриченко:

,

(193)

или по Ю.Е. Сгибневу [ ]:

при ,

(194)

где R – радиус цилиндра.

В последней зависимости U _т = f (dx / d j), что в лучшей степени отражает влияние турбулентности и нестационарности протекающих процессов на теплоотдачу.

Остальные пункты (2, 3, 8, 9, 10) выполняются по аналогии с предыдущем материалом, изложенным в параграфе 3.7.

3.9. Решение задачи газодинамики и теплообмен в
полуразделенной камере сгорания дизеля

Полуразделенные камеры сгорания (ЦНИДИ, М-процесс и др.) применяются в двигателях малой мощности и размерности с целью обеспечения пристеночного смесеобразования. Теплообмен в таких камерах сгорания существенно отличен от теплообмена в КС открытого типа.