DEVELOPMENT AND TESTING TECHNIQUE OF MODELING OF WORKING PROCESSES IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Курчаткин И. В.¹, Горшкалев А.А.², Цапкова А.Б.³

¹Студент, ²Аспирант, ³Аспирант, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Аннотация

В статье представлена разработанная методика моделирования рабочих процессов в камере сгорания (КС) двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Методика включает описание подготовки трехмерной модели КС ДВС, наложение конечно-элементной сетки, задание граничных условий и настройку решения. Апробация проводилась на КС авиационного звездообразного двигателя М-14. Был произведен цикл расчетов холодной продувки ДВС в программном комплексе ANSYS IC Engine, произведено сравнение полученных данных. Предложен вариант улучшения впускного канала двигателя.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, камера сгорания, моделирование процессов.

Kurchatkin I.V.¹, Tsapkova A.B.², Gorshkalev A.A.³

¹Student, ² Postgraduate student, ³ Postgraduate student, Samara University

DEVELOPMENT AND TESTING TECHNIQUE OF MODELING OF WORKING PROCESSES IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Abstract

The paper presents the developed method of modeling workflows in the combustion chamber (CC) of the internal combustion engine (ICE). The methodology includes a description of the preparation of three-dimensional model of the COP ICE, application of finite element mesh, boundary conditions, and job setting solutions. Testing was conducted at COP aircraft radial engine M-14. Cycle calculations ICE cold purge was performed in the software package ANSYS IC Engine, a comparison of the data. A variant of the engine to improve the intake channel.

Keywords: internal combustion engine, combustion chamber, process modeling.

В статьях [1-7] ранее были рассмотрены вопросы моделирования рабочих процессов в ДВС. Отдельно внимание уделялось особенностям построения трехмерной модели КС ДВС [1] и решению вопросов создания конечно-элементной сетки в КС ДВС для динамического расчета рабочих процессов [2]. Для подготовки трехмерной модели КС ДВС к моделированию процессов, протекающих в ней в приложении Fluent, необходимо было затрать значительное количество времени, так как все настройки и операции производились вручную. Их можно разделить на три основных этапа.

На первом этапе производилось построение головки блока цилиндра (ГБЦ) для одного цилиндра с впускными и выпускными каналами, а также впускными и выпускными клапанами в графическом редакторе SolidWorks. Далее после экспорта модели в Ansys Gambit, с помощью булевых операций получается камера сгорания с впускными и выпускными каналами и вырезанными впускными и выпускными клапанами. В Ansys Gambit модель была рассечена с помощью созданных вспомогательных поверхностей на 16 объемов, согласно разработанной схеме. Далее были заданы условия проницаемости (Interfaces) соприкасающихся поверхностей между объемами. Были заданы граничные условия давления на входе (Pressure_inlet) во впускном канале и давления на выходе (Pressure_outlet) из выпускного канала. Целью данных операций являлась подготовка модели ко второму этапу. Созданные объемы дают возможность в зонах движения клапана создать динамическую прямоугольную сетку с методом движения – «расслоение» (Layering), и тетрагональную сетку с перестроением (Remeshing) при движении [1].

Вторым этапом разделе построения конечноэлементной сетки в Ansys Gambit, в каждом разделенном надвое объеме на поверхностях соединяющих половины, накладывается сетка. В цилиндрических объемах строится четырехугольная сетка (Quad) с размером ячеек 0,5 мм с типом построения Pave. В поверхностях кольцевого объема с профилем трапеции и параллелограмма накладывается сетка с размером ячеек 0,3 мм и типом построения Мар. Размер выбирается с учетом того, что данные объемы соприкасаются между собой и содержат в себе область щели клапана, поэтому в данном месте для корректного расчета в ANSYS Fluent необходима умельченная сетка. Тип Мар выбирается в связи с формой объемов, так как позволяет получить оптимальные по форме ячейки на поверхностях. Используя инструмент Cooper и наложенную сетку на поверхностях в качестве источника, создается сетка с размером элемента  1мм [2].

В объеме камеры сгорания накладывается треугольная сетка с размером ячейки равным 2 мм, достаточным для газодинамического расчета в первом приближении. Во впускном и выпускном каналах накладывается треугольная сетка с размером ячейки равным 2 мм, так данные области статичные и не требовательны к малым размерам ячеек. В надпоршневом объеме создана кончно-элементная сетка с ячейками в форме призмы. Конечно-элементная сетка, выполненная данным образом позволит получить высокие результаты газодинамического и теплового расчета основных параметров в поршневом двигателе [2].

Третьим этапом идет задание граничных условий, включая привязку подвижным границам уравнений движений, подробно описанное в [3-7].

IC Engine – специальная система анализа для моделирования процессов в КС ДВС в приложении Fluent с упрощенной процедурой подготовки трехмерной модели КС с частью впускного и выпускного каналов. Данная система позволят значительно сократить время на подготовку трехмерной модели, за счет того, что все пункты выполняются в полуавтоматическом режиме, кроме задания граничных условий, данный пункт упрощен тем, что все необходимые настройки, вынесены в отдельное окно.

В начале в программе задается радиус коленчатого вала, длина шатуна, смещение оси вращения коленчатого относительно оси цилиндра, минимальный зазор между седлом и клапаном. Программа автоматически создает уравнение движения поршня, основываясь на введенных данных. Так же загружаются уравнения движения клапанов.

Далее в Design Modeler загружается трехмерная модель, состоящая из единой модели внутреннего объема КС с частью впускного и выпускного каналов и двух отдельных моделей впускного и выпускного клапанов. На которой указываются поверхности впускного и выпускного каналов, поверхность цилиндра, указываются впускной и выпускной клапан, их седла и привязываются уравнения их движения. Так же можно выбрать определенный угол поворота коленчатого вала (КВ) с которого будет начат расчет, он может быть задан или выбран из предложенных программой вариантов.

В данной программе КС с частью впускного и выпускного каналов будет разбита на 21 объем: по 9 объемов впускной и выпускной каналы и КС на три объема (рисунок 1), два из которых (надпоршневая зона и верхняя часть КС) в дальнейшем разбиваются сеткой с конечными элементами в виде тетраэдров, а объем между ними сеткой с элементами, имеющими форму треугольной призмы. Это необходимо для того, чтобы во время расчета элементы вокруг клапанов перестраивались, а при движении поршня происходило послойное деление сетки. Если при нахождении днища поршня в ВМТ стенка цилиндра остается небольшой высоты, программа с большой долей вероятности не сможет автоматически разбить КС на три объема. В этом случае требуется указать две плоскости, по которым будет разбита КС.

Рис. 1 – КС разбитая на различные объемы

Перед запуском разделения данной модели на объемы для проверки корректности заданных настроек запускается просмотр анимации движения днища поршня и клапанов. После того как все задано программа разбивает данную модель на объемы, в каждом из которых при открытие данной модели в программе Ansys Meshing задаются определенные настройки сетки, оптимальные для данной не стационарной задачи.

Существует три стандартных режима разбиения на конечные элементы (КЭ) модели: грубый, средний и точный. Они выбираются при запуске автоматической настройки сетки. Данные настройки параметризированы относительно диаметра клапана. Если стандартные настройки не подходят, есть возможность поменять, как общие настройки, так отдельно для любого элемента полученного в результате разделения.

Данная программа позволяет визуально проверить, как данная модель разбилась на конечные элементы, например, в плоскости симметрии клапанов (рисунок 2), созданной автоматически или любой другой плоскости, созданной пользователем.

Рис. 2 – Сеточная модель в плоскости симметрии клапанов

 

После создание сетки, следует настройка параметров расчета. В данной системе все требуемые для расчета настройки вынесены из программы Fluent, и сделаны отдельным пунктом. Последним этапом является загрузка модели во Fluent. В нем остается просто запустить расчет.

Проведенный расчет показал несовершенство впускного канала исследуемого двигателя. За счет небольшого радиуса поворота канала возникала область закрученного потока, которая расход ТВС через канал. Для устранения этого недостатка была изменена геометрия впускного канала и проведен новый расчет. Результаты расчета до модернизации (слева) и после (справа) приведены на рисунке 3.

Рис. 3 – Поле распределения скорости в сечении впускного клапана

 

После проведения цикла расчетов холодной продувки ДВС с помощью программном комплексе ANSYS IC Engine и сравнения полученных результатов можно сделать вывод о том, что предложенный вариант улучшения впускного канала двигателя позволяет увеличить расход ТВС через канал. Коэффициент наполнения при этом вырос на 5%, что положительно повлияет на характеристики двигателя.

Литература

1. Бирюк В.В. Особенности построения трехмерной модели камеры сгорания ДВС для динамического расчета тепловых процессов с помощью ANSYS FLUENT/ В.В. Бирюк, Д.А. Угланов, А.А. Горшкалев, С.С. Каюков// Самолетостроение России. Проблемы и перспективы, Самара, СГАУ. - 2012. - С. 79-80
2. Бирюк В.В. Решение проблемы создания конечно-элементной сетки в трехмерной модели камеры сгорания ДВС для динамического расчета рабочих процессов/ В.В. Бирюк, Д.А. Угланов, А.А. Горшкалев, С.С. Каюков// Самолетостроение России. Проблемы и перспективы, Самара, СГАУ. - 2012. - С. 81-82
3. Бирюк В.В. Основные результаты использования CAD/САЕ систсем в процессе проектирования и расчета рабочих процессов двигателя внутреннего сгорания процессов/ В.В. Бирюк, Д.А. Угланов, А.А. Горшкалев, С.С. Каюков// Вестник СГАУ. - 2012. - №3. –Ч. 3. - С. 126-131
4. Бирюк В.В. Построение и расчёт трёхмерной модели камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания для динамического расчёта тепловых процессов/ В.В. Бирюк, Д.А. Угланов, А.А. Горшкалев, С.С. Каюков// Вестник СГАУ. - 2012. - №5. –Ч. 1. - С. 143-148
5. Горшкалев А.А. Опыт использования CAE-CAD систем при проектирвании двигателя внутреннего сгорания/ А.А. Горшкалев, А.В. Кривцов, Е.А. Сайгаков, Д.В. Сморкалов, Д.А. Угланов// Вестник СГАУ. - 2011. - №3. –Ч. 4. - С. 177-182
6. Лукачев С.В. Использование Ansys Fluent для исследования газодинамических и тепловых процессов в малоразмерном двухтактном ДВС/ С.В. Лукачев, В.В. Бирюк, А.А. Горшкалев// Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2014. - № 12. - С. 416-425
7. Biryuk V.V. Gas-Dynamic Analysis of Processes in a Small-Sizes Two-Stroke Combustion Engine/ V.V. Biryuk, A.A. Gorshkalev, S.S. Kayukov, D.A. Uglanov// The Open Mechanical Engineering Journal. - 2014. № 8. - P. 441-444

References

1. Biryuk V.V. Osobennosti postroenija trehmernoj modeli kamery sgoranija DVS dlja dinamicheskogo rascheta teplovyh processov s pomoshh'ju ANSYS FLUENT/ V.V. Biryuk, D.A. Uglanov, A.A. Gorshkalev, S.S. Kajukov// Samoletostroenie Rossii. Problemy i perspektivy, Samara, SGAU. -2012. - S.79-80
2. Biryuk V.V. Reshenie problemy sozdanija konechno-jelementnoj setki v trehmernoj modeli kamery sgoranija DVS dlja dinamicheskogo rascheta rabochih processov/ V.V. B Biryuk irjuk, D.A. Uglanov, A.A. Gorshkalev, S.S. Kajukov// Samoletostroenie Rossii. Problemy i perspektivy, Samara, SGAU. -2012. -S. 81-82
3. Biryuk V.V. Osnovnye rezul'taty ispol'zovanija CAD/SAE sistsem v processe proektirovanija i rascheta rabochih processov dvigatelja vnutrennego sgoranija processov/ V.V. Biryuk, D.A. Uglanov, A.A. Gorshkalev, S.S. Kajukov// Vestnik SGAU. - 2012. - №3. –Ch. 3. - S. 126-131
4. Biryuk V.V. Postroenie i raschjot trjohmernoj modeli kamery sgoranija dvigatelja vnutrennego sgoranija dlja dinamicheskogo raschjota teplovyh processov/ V.V. Biryuk, D.A. Uglanov, A.A. Gorshkalev, S.S. Kajukov// Vestnik SGAU. - 2012. - №5. –Ch. 1. - S. 143-148
5. Gorshkalev A.A. Opyt ispol'zovanija CAE-CAD sistem pri proektirvanii dvigatelja vnutrennego sgoranija/ A.A. Gorshkalev, A.V. Krivcov, E.A. Sajgakov, D.V. Smorkalov, D.A. Uglanov// Vestnik SGAU. -2011. -№3. –Ch. 4. -S. 177-182
6. Lukachev S.V. Ispol'zovanie Ansys Fluent dlja issledovanija gazodinamicheskih i teplovyh processov v malorazmernom dvuhtaktnom DVS/ S.V. Lukachev, V.V. Biryuk, A.A. Gorshkalev// Nauka i Obrazovanie. MGTU im. N.Je. Baumana. - 2014. - № 12. - S. 416-425
7. Biryuk V.V. Gas-Dynamic Analysis of Processes in a Small-Sizes Two-Stroke Combustion Engine/ V.V. Biryuk, A.A. Gorshkalev, S.S. Kayukov, D.A. Uglanov// The Open Mechanical Engineering Journal. - 2014. № 8. - P. 441-444