Numerical model of heat-flow phenomena in piston engine fitting non-conventional fuels

• Autorzy: Korzec E. , Szczygieł I.

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna procesów zachodzących w komorze spalania silnika tłokowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the paper the 2-D axisimetric simplified numerical model of cylinder in piston engine is presented. The model and computations were made by use of commercial software ANSYS Workbench. In the introductory numerical model of cylinder heat sources were omitted. The geometry was simplified.

PL

Na przestrzeni ostatnich kilku lat obserwuje się wzrost zainteresowania zastosowaniem alternatywnych paliw, takich jak gaz ziemny czy biogaz. Jest to związane z dynamicznym rozwojem cywilizacji, zmniejszającymi się zasobami złóż ropy naftowej, a także koniecznością przestrzegania coraz bardziej restrykcyjnych norm dotyczących poziomu emisji zanieczyszczeń. Głównym celem zastosowania alternatywnych technologii, obok skutków finansowych, jest ograniczenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery oraz zmniejszenie zagrożeń akustycznych. Ilość toksycznych zanieczyszczeń ze spalin samochodowych kształtowana jest przez dwa niezależne czynniki: wzrost natężenia ruchu oraz rosnące zatłoczenie i wynikające z niego zakłócenia. W zakresie ograniczenia emisji spalin najprostszym i najskuteczniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie paliw niekonwencjonalnych do zasilania silników samochodowych. Suma zanieczyszczeń produkowanych przez silniki zasilane paliwami alternatywnymi jest niższa w porównaniu do silników zasilanych paliwami tradycyjnymi, takimi jak benzyna czy olej napędowy. Szczególnego znaczenia nabiera problem zanieczyszczenia środowiska w aglomeracjach miejskich, gdzie natężenie ruchu drogowego jest duże. Zastosowanie paliw niekonwencjonalnych do zasilania pojazdów samochodowych przyczyni się do poprawy życia mieszkańców dużych miast, dzięki zmniejszeniu ilości wprowadzanych do atmosfery zanieczyszczeń i obniżenia poziomu hałasu. W związku z powyższym, celowe wydają się badania zjawisk cieplno-przepływowych w silniku tłokowym zasilanym paliwem niekonwencjonalnym. Dosyć powszechne są pomiary laboratoryjne silników na hamowniach silnikowych czy podwoziowych. W fazie początkowej są natomiast prace zmierzające do zbudowania modelu numerycznego silnika tłokowego, ukierunkowanego na zachodzące w nim zjawiska cieplno-przepływowe. Budowanie modelu numerycznego urządzenia, w którym występują ruchome elementy wymaga zastosowania specjalnego podejścia. Jednym z nich jest użycie siatki dynamicznej. Ze względu na stosunkowo małą liczbę symulacji z wykorzystaniem siatek dynamicznych, ich użycie nie jest do końca rozpoznane. W związku z tym prawidłowe zamodelowanie przebiegu procesów jest źródłem wielu trudności. Z uwagi na konieczność dyskretyzacji modelu w każdym kroku czasowym, co wynika ze zmiany geometrii, wymagane jest przygotowanie siatki numerycznej o dobrej jakości oraz przyjęcie odpowiednio małego kroku czasowego. Wpływa to jednak znacząco na wydłużenie czasu obliczeń. W pracy zaprezentowano uproszczony model numeryczny cylindra silnika tłokowego. Model oraz obliczenia zostały wykonane z wykorzystaniem komercyjnego pakietu ANSYS Workbench. Z dostępnych w tym pakiecie komponentów został wybrany komponent FLUENT. W zbudowanym wstępnym modelu numerycznym cylindra silnika spalinowego tłokowego nie zostały uwzględnione źródła ciepła. Spowodowało to, iż działał on w sposób analogiczny do pracy sprężarki tłokowej. Założono również uogólnienia dotyczące geometrii. Dane techniczne oraz geometria, na podstawie których został zbudowany model silnika, przyjęto na podstawie jednostki, na której w przyszłości będą przeprowadzone badania doświadczalne i weryfikacja finalnego modelu. Pomimo przyjęcia założenia o pełnej izolacyjności ścian komory spalania, wyniki otrzymane na podstawie symulacji nieznacznie odbiegają od wyników otrzymanych na drodze eksperymentu. Może to wynikać z faktu, że czas jednego cyklu sprężania jest bardzo krótki (około 0,01 s). Dzięki zastosowaniu siatki dynamicznej możliwe było zamodelowanie ruchu tłoka w każdym kroku czasowym, czyli co 0,5 stopnia obrotu wału korbowego. Dzięki temu możliwe było uzyskanie dosyć dokładnych wyników. Kolejnymi etapami będzie zamodelowanie całego cyklu sprężania i rozprężania powietrza w cylindrze, a następnie zamodelowanie pełnego cyklu spalania mieszanki palnej (biogazu). Ostatnim etapem będzie walidacja zbudowanego modelu w oparciu o dane pomiarowe pochodzące z badań eksperymentalnych przeprowadzonych na silniku Honda GX270.

Słowa kluczowe

PL

model numeryczny; analiza numeryczna; silniki tłokowe; siatka dynamiczna

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej
• Czasopismo: Systems : journal of transdisciplinary systems science
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 14, No sp.
• Strony: 49--60
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Korzec E.

• Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej, ul. Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

autor

Szczygieł I.

• Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej, ul. Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

Bibliografia

• [1] MERKISZ J., PIELECHA I., Alternatywne napędy pojazdów. Warszawa 2003.
• [2] LUFT S.: Podstawy budowy silników, Warszawa 2003.
• [3] POSTRZEDNIK S., ŻMUDKA Z.: Termodynamiczne oraz ekologiczne uwarunkowania eksploatacji tłokowych silników spalinowych, Gliwice 2007.
• [4] BEAUQUEL J. A.: Computational Fluid Dynamics Modelling. Flow Behaviour in the Combustion Chamber of a Spark Ignition Engine, Saarbriicken 2009.
• [5] KNEBA Z., MAKOWSKI S.: Zasilanie i sterowanie silników. Warszawa 2004.
• [6] Tu J., YEOH G. H., LIU CH., Computational fluid dynamics. A practical approach. 2008.
• [7] ZIKANOV O., Essential Computational fluid dynamics. New Jersey
• [8] http://www.ngvgroup.com/
• [9] BUDZIK G., Zasilanie silników autobusów komunikacji miejskiej sprężonym gazem ziemnym.Rzeszów 2006
• [10] www.newsgastro.pl
• [11] http://lanckoronska.zm.org.pl
• [12] http://www.peakoil.p1/s/ropa/2