Motori
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 59

Motori 7. predavanje PowerPoint PPT Presentation


  • 90 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Motori 7. predavanje. NUMERIČKO MODELIRANJE P ROCESA MOTORA S UNUTARNJIM IZGARANJEM. KARAKTERISTIKA PROCESA KOJI SE MODELIRAJU. Fizikalni procesi :

Download Presentation

Motori 7. predavanje

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Motori 7 predavanje

Motori

7. predavanje


Motori 7 predavanje

NUMERIČKO MODELIRANJE P ROCESA MOTORA S UNUTARNJIM IZGARANJEM


Motori 7 predavanje

KARAKTERISTIKA PROCESA KOJI SE MODELIRAJU

  • Fizikalni procesi:

  • Termodinamički proces u prostorima motora (cilindru, kolektorima, turbopuhalu itd.) s pretvorbama energije i s prijenosom energije (prijenos topline i rada)

  • Procesi strujanja fluida (plinova i tekućina) pri usisu, ispuhu, strujanju u prostoru izgaranja, ubrizgavanju goriva, leta kapljica goriva i njihova isparavanja u plinu, hidrodinamike ulja u ležjima itd.

  • Prijenos sila putem mehaničkih komponenti motora, kinematika i dinamika mehanizma

  • Dinamika motora zajedno s pogonjenim strojem, vozilom itd. (tranzijentna i ustaljena stanja rada motora

  • Kemijski procesi:

  • Procesi predplamenih kemijskih reakcija i procesi s reakcijama izgaranja,

  • Procesi tvorbe polutanata u plinovima izgaranja,

  • Procesi obrade ispušnih plinova radi smanjenja emisija.


Motori 7 predavanje

KARAKTERISTIKA PROCESA KOJI SE MODELIRAJU

  • Geometrijske karakteristike:

  • Promjena volumena prostora izgaranja,

  • Dimenzionalnost modela,

  • Gustoća mreže diskretizacije.

  • Vremenske karakteristike:

  • Proces u motoru s unutarnjim izgaranjem mijenja se tijekom vremena te stoga predstavlja nestacionarni (vremenski neustaljeni) proces,

  • Vanjske karakteristike motora (snaga, brzina vrtnje itd.) mogu se za jedno dulje vrijeme smatrati ustaljenima, pa na toj razini možemo koristiti modele koji ne ovise o vremenu, tj. vremenski stacionarne modele


Motori 7 predavanje

TEMELJNI ZAKONI OČUVANJA KOJI SE KORISTE U MODELIRANJU PROCESA MOTORA

  • Zakon očuvanja ukupne mase (npr. jednadžba kontinuiteta),

  • Zakon očuvanja energije (npr. 1. zakon termodinamike),

  • Zakon očuvanja količine gibanja (npr. ravnoteža sila),

  • Zakon očuvanja (mase) kemijskih sastojaka (tijekom kemijskih procesa)

  • NAPOMENE:

  • Masa i energija su skalarne veličine (nemaju smjer svoga djelovanja kao vektori). Njih opisuje samo po jedna jednadžba bez obzira na dimenzionalnost problema.

  • Količina gibanja je vektorska veličina. Ovisno o tome kolika je dimenzionalnost modela (0, 1, 2 ili 3) imamo i broj jednadžbi za komponente po prostornim koordinatama.

  • Suma svih jednadžbi očuvanja mase sastojaka je jednadžba očuvanja ukupne mase. Stoga se kod zakona očuvanja mase kemijskih sastojaka prate samo jednadžbe za sastojke čija je masa mala, a ne prati se sastojak čija je masa najveća (npr. dušik). Njegova se masa posredno izračunava iz razlike ukupne mase i zbroja mase ostalih sastojaka.


Motori 7 predavanje

Integralni oblik jednadžbi očuvanja veličine :

akumulacija + konvekcija (strujanje) = difuzija (provođenje) + izvorni član

t – vrijeme,

 –gustoća,

 – veličina koja je predmet očuvanja,

 – koeficijent difuzije,

S – izvor (ili ponor)

n - normala na vanjsku plohu volumena

u - brzina

OBLICI JEDNADŽBI OČUVANJA

Diferencijalni oblik jednadžbi očuvanja veličine :

akumulacija + konvekcija (strujanje) = difuzija (provođenje) + izvorni član


Motori 7 predavanje

Diferenacijalni oblik jednadžbi očuvanja je uobičajeni oblik koji se najčešće koristi i služi kao podloga za razvoj matematičkih modela. Nedostatak tog oblika jednadžbi je u tome da njihovo korištenje pretpostavlja da oni opisuju kontinuirane promjene.

Integralni oblik jednadžbi očuvanja omogućuje njihov zapis i za situacije s diskontinuitetom u svojoj promjeni (npr. udari tlačnih valova, eksplozije, padovi, prijelomi materijala itd.)

 – veličina koja je predmet očuvanja je ovisna o jednadžbi očuvanja:

 = 1 u jednadžbi očuvanja mase,

 = u ili h u jednadžbi očuvanja energije,

 = u jednadžbi očuvanja količine gibanja

u – specifična unutarnja energija,

h – specifična entalpija

w - brzina strujanja


Motori 7 predavanje

Jednadžbe očuvanja za strujanje fluida bez kemijskih reakcija

Očuvanje mase

Očuvanje količine gibanja u smjeru osi x

Očuvanje količine gibanja u smjeru osi y

Očuvanje količine gibanja u smjeru osi z

Očuvanje unutarnje energije i

Jednadžba stanja


Motori 7 predavanje

KLASE MODELA PO DIMENZIONALNOSTI

0D (nultodimenzionalni) modeli:

Kontrolni volumen predstavlja npr. cijeli prostor izgaranja. Ovi modeli podrazumijevaju da je trenutno stanje po cijelome kontrolnom volumenu jednako, tj. homogeno. U tim modelima nema razlike po promatranom volumenu. Npr. trenutna temperatura je u svakoj točki promatranog volumena jednaka.

Jednadžbe koje opisuju stanje su:

- jednadžba očuvanja mase,

- jednadžba očuvanja energije.

qD (kvazidimenzionalni) modeli:

Prostor izgaranja se može podijeliti na više područja ili kontrolnih volumena (npr. područje svježe smjese i područje produkata izgaranja). Ovi modeli podrazumijevaju da je trenutno stanje po svakom cijelome kontrolnom volumenu jednako, tj. homogeno. Ovi modeli omogućuju praćenje razlika po prostoru izgaranja. Npr. trenutna temperatura je u svakoj točki promatranog podrućja jednaka, no svako područje može imati svoju temperaturu unutar prostora izgaranja.

Jednadžbe koje opisuju stanje su:

- jednadžba očuvanja mase,

- jednadžba očuvanja energije.


Motori 7 predavanje

KLASE MODELA PO DIMENZIONALNOSTI

1D modeli:

Najčešće se koriste za praćenje promjena duž cijevi, kada nas ne interesiraju detalji promjena po poprečnom presjeku. Model podrazumijeva da je stanje po poprečnom presjeku homogeno.

Jednadžbe koje opisuju stanje su:

- jednadžba očuvanja mase,

- jednadžba očuvanja energije,

- jednadžba očuvanja količine gibanja duž osi x

2D modeli:

Najčešće se koriste za praćenje promjena po presjeku osnosimetričnih prostora. Model podrazumijeva da je stanje po obodu u danoj točki poprečnog presjeka jednako.

Jednadžbe koje opisuju stanje su:

- jednadžba očuvanja mase,

- jednadžba očuvanja energije,

- jednadžba očuvanja količine gibanja duž osi x

- jednadžba očuvanja količine gibanja duž osi y


Motori 7 predavanje

KLASE MODELA PO DIMENZIONALNOSTI

3D modeli:

Koriste se za praćenje promjena po cijelome promatranom volumenu.

Jednadžbe koje opisuju stanje u kontrolnom volumenu su:

- jednadžba očuvanja mase,

- jednadžba očuvanja energije,

- jednadžba očuvanja količine gibanja duž osi x

- jednadžba očuvanja količine gibanja duž osi y

- jednadžba očuvanja količine gibanja duž osi z


Motori 7 predavanje

MODELIRANJE TURBULENTNOG STRUJANJA

Turbulentno strujanje igra izuzetno važnu ulogu u procesima strujanja i kemijskih reakcija, obzirom da pospješuje pojedine procese. Turbulentne strukture strujanja su najčešće manje nego što su dimenzije kontrolnog volumena. Kako ne bi morali značajno smanjiti dimenziju kontrolnih volumena, a da se efekti turbulentnog strujanja obuhvate u proračunu, najčešće se koriste modeli turbilencije u obliku dodatnih jednadžbi koje treba riješiti u svakom kontrolnom volumenu. Najčešće su to dvije jednadžbe:

  • Jednadžba očuvanja za generiranje turbulentne kinetičke energije,

  • Jednadžba očuvanja za potrošnju turbulencije (tj. njenu disipaciju)

Modeli turbulentnog strujanja se koriste samo u 2D i 3D modelima. Dodatnim jednadžbama povećava se broj jednadžbi koje treba riješiti za svaki kontrolni volumen.

Najpoznatiji modeli turbulentnog strujanja koji se danas koriste su:

  • k- model,

  • model renormalizacijskih grupa (RNG model),

  • model Reynoldsovih naprezanja (Reynolds Stress model)


Motori 7 predavanje

PRIMJERI PRIMJENE 2D I 3D MODELA


Motori 7 predavanje

prije GMT

Primjeri za utjecaj gustoće podjele na rezultat proračuna


Motori 7 predavanje

5 x 4 = 20

10 x 8 = 80

20 x 16 = 320

40 x 32 = 1280

80 x 64 = 5120

1260 x 1032 = 1300320

Primjer utjecaja rezolucije mreže na uvid u detalje (Etoile, Pariz)


Motori 7 predavanje

Primjeri diskretizacije prostora izgaranja mrežom za 3D model


Motori 7 predavanje

60o KV pGMT

Razdioba turbulentne kinetičke energije u cilindru motora tijekom takta kompresije

120o KV pGMT


Motori 7 predavanje

Položaj prvih jezgri izgaranja obzirom na mlaz (7o KV pGMT)

Razdioba mase goriva (9o KV nGMT)

Razdioba koncentracije NOx (9o KV nGMT)

Razdioba temperature (9o KV nGMT)


Motori 7 predavanje

Koncentracija čađe

Koncentracija čađe

Temperatura

Usporedba rezultata mjerenja (gore) i proračuna (dolje) za koncentraciju čađe prilikom ubrizgavanja mlaza n-heptana u uvjetima motora


Motori 7 predavanje

Razdioba temperature i izo-plohe za temperature 1500 K i 2500 K

Razdioba koncentracije čađe i izo-plohe za molarni udio od 5%

Rezultati proračuna za izgaranje u brzohodnom dizelskom motoru


Motori 7 predavanje

0D MODEL PROCESA MOTORA


Motori 7 predavanje

Prikaz prostora izgaranja s naznačenim granicama sustava i pozitivnim smjerovima prijenosa mase i energije


Motori 7 predavanje

izgaranje

usis

propuštanje

sa stjenke

ispuh


Motori 7 predavanje

zaostali plinovi iz ranijeg procesa

nevezani zrak

Prikaz trenutnog sastava radnoga medija


Motori 7 predavanje

Dodatni modeli za kompletiranje 0D modela

  • Jednadžba stanja plina i model za svojstva plina kao radnoga medija,

  • Izmjena topline sa stjenkama,

  • Zakon oslobađanja topline pri izgaranju,

  • Karakteristike pumpe za ubrizgavanje goriva,

  • Karakteristike regulatora,

  • Karakteristike puhala i turbine, te cijeloga turbopuhala

  • Izmjena radnog medija sa susjednim kontrolnim volumenima,

  • Dodatni modeli za proračun nestacionarnih uvjeta rada:

  • Dinamička svojstva sustava (moment inercije sustava, mase, mehanizmi),

  • Dinamička svojstva turbopuhala,

  • Dinamička svojstva regulatora.


Motori 7 predavanje

Jednadžba stanja realnog plina

Jednadžba stanja idealnoga plina:

Korelacije za svojstva plina kao radnog medija:

  • Zacharias f(T,, p)

  • Woschni, Pucher, Jankov itd. f(T,)


Motori 7 predavanje

Korištene jedinice:

T, K - temperatura

u, J/kg - specifična unutarnja energija

cv, J/(kg.K) - spec. toplina pri V = const

R, J/(kg.K) - plinska konstanta

h, J/kg - specifična entalpija

Korelacije za svojstva produkata izgaranja i zraka pod pretpostavkom idealnoga plina (zanemarena disocijacija i utjecaj koeficijenta kompresibilnosti Z)

(Jankov, 1982.)


Motori 7 predavanje

Primjer primjene korelacije za svojstva radnog medija za temperaturu 1400 K i pretičak zraka 1.7


Motori 7 predavanje

Svojstva realnog plina

(model po Zacharias-u, 1970.)

za područje T = 200 do 6000 K i p = 0.1 kPa do 100 MPa


Motori 7 predavanje

Model za stvojstva realnog plina prema F. Zachariasu1, 1970.

Ulazne varijable za model:

Reducirana temperatura

Reducirani tlak

Sadržaj zraka

Molarna masa smjese plinova, kg/kmol

Plinska konstanta idealnoga plina, kJ/kg.K

1Zacharias, F.: Mollier-I,S Diagramme fuer Verbrennungsgase in der Datenverarbeitung, MTZ 31 (1970) 7, p. 296-303


Motori 7 predavanje

Pomoćne veličine:


Motori 7 predavanje

Faktor kompresibilnosti Z:


Motori 7 predavanje

Entalpija:

a0 = +3.514956-0.005026r

a1 = +0.131438-0.383504r

a2 = +0.477182+0.185214r

a3 = -0.287367-0.0694862r

a4 = +0.0742561+0.0164041r

a5 = -0.00916344-0.00204537r

a6 = +0.000439896+0.000101610r


Motori 7 predavanje

Entropija:

b0 = +2.979979+0.553140r

b1 = +0.0583637-0.485001r

b2 = +0.871349+0.0698183r

b3 = -0.451556-0.0028772r

b4 = +0.109164+0.000693663r

b5 = -0.0129754+0.0000920231r

b6 = +0.000608234-0.00000299679r

c0 = -0.805214

c1 = -0.400981

c2 = +0.576989

c3 = +0.060056


Motori 7 predavanje

Produkti izgaranja

VG

Lu

Zrak

Specifična toplina cp u ovisnosti o tlaku i temperaturi za stehometrijske plinove izgaranja i čisti zrak


Motori 7 predavanje

Specifična toplina cp u ovisnosti o tlaku i temperaturi za stehometrijske plinove (VG) izgaranja i čisti zrak (Lu)


Motori 7 predavanje

Promjena plinske konstante u ovisnosti o temperaturi i pretičku zraka pri tlaku od 1 bar


Motori 7 predavanje

Reducirana entalpija stehiometrijskih plinova izgaranja u ovisnosti o temperaturi i tlaku


Motori 7 predavanje

Reducirana entropija stehiometrijskih plinova izgaranja u ovisnosti o temperaturi i tlaku


Motori 7 predavanje

PRIMJER PRIMJENE 0D MODELA


Motori 7 predavanje

Shema brodskog dizelskog motora s prednabijanjem


Motori 7 predavanje

Usisni kolektor

Generator

Cilindri

Pumpa za ubrizgavanje goriva

Ispušni kolektori

Hladnjak zraka

Spremnik zraka za upućivanje motora

Turbopuhalo

Prikaz motora kao sustava uzajamno povezanih kontrolnih volumena

Atmosfera


Motori 7 predavanje

Prikaz toka informacija tijekom proračuna brodskog dizelskog motora


Motori 7 predavanje

Prihvat nagle promjene opterećenja motoru od 1 MW na 4 MW

(Medica, 1988.)


Motori 7 predavanje

Promjena tlaka u cilindru

Promjena temperature u cilindru

Promjena tlaka i temperature u cilindru tijekom preuzimanja nagloga opterećenja (prikazani su procesi br. 1, 2, 3, 8 i 15 od promjene opterećenja)

(Medica, 1988.)


Motori 7 predavanje

Proces br. 2

Proces br. 8

Proces br. 3

Proces br. 15

Prikaz niskotlačnog dijela procesa

pC - tlak u cilindru

pT - tlak pred turbinom

pL - tlak na usisu

(Medica, 1988.)


Motori 7 predavanje

Promjena brzine vrtnje motora i turbopuhala

Promjena tlaka u cilindru motora

Numerička simulacija starta srednjehodnoga dizelskog motora

(Medica, 1988.)


Motori 7 predavanje

Usporedba rezultata proračuna (kružići) i podataka mjerenja (linije) za brodski dizelski motor na generatorskoj karakteristici

(Mrakovčić, 2003.)


Motori 7 predavanje

Numeričke simulacije prihvata povećanja opterećenja motoru s prednabijanjem

(Mrakovčić, 2003.)


Motori 7 predavanje

Oznake:

MAN - originalna izvedba motora

ISG - motor u kombinaciji s elektromotorom u zamašnjaku motora

EM2 i EMG - elektromotor za ubrzavanje turbopuhala

Numeričke simulacije pogona teretnog vozila koje je s horizontalne ceste došlo na uspon s kutom nagiba od 3.5o u šestoj brzini. Gornji dijagram prikazuje brzinu vozila, a donji promjenu snage motora.

(Katrašnik, 2004.)


Motori 7 predavanje

Zahvaljujemo na Vašoj pozornosti


  • Login