Promotor: |
|
prof. dr hab. inż. Andrzej Teodorczyk - Politechnika Warszawska |
|
Promotor pomocniczy: |
|
|
|
Recenzenci: |
|
|
prof. dr hab. inż. Ireneusz Pielecha - Politechnika Poznańska prof. dr inż. Andrzej Sobiesiak - University of Windsor, Kanada |
|
Dziedzina: |
|
Dyscyplina: |
|
Streszczenie:
Celem tej pracy jest stworzenie nowego modelu zapłonu iskrowego do celów modelowania spalania w silnikach o Zapłonie Iskrowym (ZI). Przegląd literaturowy na temat badań eksperymentalnych i numerycznych zapłonu iskrowego pokazuje, że złożoność tego procesu prowadzi do trudności w jego dokładnym opisie numerycznym. Zamodelowanie wszystkich zjawisk fizycznych zachodzących podczas zapłonu iskrowego wymaga rozwiązania bardzo krótkich skal czasowych i skal długości na gęstych siatkach numerycznych, co może okazać się niepraktyczne w zastosowaniach inżynierskich. Tym samym najczęściej rozwijane są uproszczone modele fenomenologiczne zapłonu iskrowego oraz początkowego wzrostu jądra płonienia. Porównanie dostępnych modeli zapłonu iskrowego pokazuje, że poszczególne z nich opisują w sposób dokładny tylko wybrane aspekty zjawiska zapłonu, upraszczając lub całkowicie pomijając pozostałe. Tym samym potrzebne jest rozwijanie nowych modeli, które w sposób bardziej dokładny opiszą zjawisko zapłonu w silnikach ZI.
Nowy model zapłonu iskrowego przedstawiony w tej pracy składa się z kilku modeli opisujących poszczególne zjawiska procesu zapłonu — modelu obwodu elektrycznego układu zapłonowego, modelu dynamiki łuku elektrycznego, modelu wymiany ciepła pomiędzy łukiem elektrycznym a mieszaniną palną, modelu czasu opóźnienia zapłonu mieszaniny palnej oraz modelu wczesnego wzrostu jądra płomienia. Razem tworzą one jeden spójny model zapłonu iskrowego, który został zaimplementowany w kodzie obliczeniowej dynamiki płynów AVL Fire TM w kontekście modelu równania G do obliczeń spalania w silnikach ZI. Nowy model przewiduje odkształcenie łuku elektrycznego podczas procesu zapłonu, opóźnienie pomiędzy początkiem wyładowania a rzeczywistym zapłonem mieszaniny oraz położenie pierwszego jądra zapłonu. W porównaniu do innych modeli zapłonu, model przedstawiony w tej pracy w dokładny sposób opisuje indywidualne zjawiska zapłonu iskrowego, przez co pozwala na bardziej dokładną analizę i większe zrozumienie procesów zachodzących w silnikach ZI.
Poprawność przedstawionego modelu została zweryfikowana poprzez porównanie otrzymanych wyników numerycznych z wynikami eksperymentalnymi dla kilku różnych przypadków. Analiza wyników wyładowania iskrowego w polu prędkości potwierdza, że model prawidłowo przewiduje czas trwania wyładowania z wieloma przeskokami iskry, odkształcenie iskry podczas pierwszego przeskoku w danym wyładowaniu, napięcie i natężenie we wtórnym obwodzie układu zapłonowego oraz energię dostarczoną do łuku elektrycznego. Wyniki zapłonu i spalania w jednocylindrowym silniku badawczym AVL pokazały natomiast, że pole prędkości powstałe w cylindrze podczas procesów wymiany ładunku i sprężania może znacznie odkształcić łuk elektryczny podczas zapłonu oraz wpłynąć na położenie pierwszego jądra płomienia. Wyniki numeryczne przebiegu ciśnienia w cylindrze oraz wydzielania ciepła są zgodne z danymi eksperymentalnymi, co potwierdza, że przedstawiony model poprawnie przewiduje proces zapłonu, podczas gdy model spalania prawidłowo opisuje propagację płomienia. Przedstawiony model został również użyty do obliczeń spalania w silniku badawczym o przeciwbieżnym ruchu tłoków PAMAR-4, w którym występują po dwie świece zapłonowe w każdej z komór spalania. Wyniki numeryczne przebiegu ciśnienia w cylindrze oraz wydzielania ciepła ponownie są zgodne z danymi eksperymentalnymi, co pokazuje, że przedstawiony model jest zdolny do obliczeń zapłonu z kilku świec w jednej komorze spalania, podczas gdy model spalania równania G jest w stanie przewidzieć propagację odrębnych frontów płomienia pochodzących z różnych źródeł zapłonu.