Розробка тризонної моделі згоряння щодо двигуна з іскровим запалюванням та розшаруванням паливоповітряного заряду

Автор(и)

  • Володимир Анатолійович Корогодський Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-1605-4631
  • Андрій Сергійович Роговий Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-6057-4845
  • Олександр Іванович Воронков Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-8389-2459
  • Андрій Павлович Полив’янчук Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова , Україна https://orcid.org/0000-0002-9966-1938
  • Павло Григорович Гакал Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0003-3043-2448
  • Олексій Юрійович Лисиця Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-5679-8459
  • Ігор Валентинович Худяков Херсонська державна морська академія, Україна https://orcid.org/0000-0002-8900-7879
  • Тамара Володимирівна Макарова Вінницький національний технічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0003-0669-8350
  • Марія Михайлівна Гнип Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Україна https://orcid.org/0000-0003-3662-0941
  • Євген Анатолійович Гаєк Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, Україна https://orcid.org/0000-0001-7470-9918

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.228812

Ключові слова:

тризонна модель згоряння, робочий процес двигуна, розшарування паливоповітряного заряду

Анотація

Розроблено термодинамічну модель для розрахунку робочого процесу в циліндрі двигуна з іскровим запалюванням та внутрішнім сумішоутворенням при організації розшарованого паливоповітряного заряду на основі методу об'ємного балансу. Модель враховує зміну об’ємів робочого тіла під час переміщення поршня в циліндрі.

Складено рівняння об'ємного балансу процесів внутрішнього сумішоутворення при безпосередньому упорскуванні палива в циліндр двигуна. Рівняння враховує адіабатичну зміну об’єму розшарованого паливоповітряного заряду, який складається з об’єму паливоповітряної суміші й об'єму повітря. З рівняння теплового балансу визначається зміна об’єму паливоповітряної суміші в процесі випаровування бензину в паливному струмені та з поверхні паливної плівки внаслідок підведення з зовні теплоти.

Виведено основні рівняння процесів горіння-розширення розшарованого паливоповітряного заряду з урахуванням трьох зон, які відповідають об’ємам: продуктів згоряння, паливоповітряної суміші та повітря. Рівняння враховує зміну об’єму робочого тіла внаслідок підведення теплоти і теплообміну між зонами й стінками надпоршневого об’єму. Отримано залежності для визначення температури в трьох розглянутих зонах і тиску в циліндрі. 

Побудовано графіки зміни об’ємів зони продуктів згоряння, паливоповітряної суміші та повітря при зміні надпоршневого об’єму на режимах часткових навантажень (n=3000 хв-1). З підвищенням навантаження від ре=0,144 МПа до ре=0,322 МПа на момент займання палива збільшується об’єм паливоповітряної суміші від 70 % до 92 % надпоршневого об’єму. При цьому об'єм повітря зменшується з 30 % до 8 %. 

Аналіз теоретичних та експериментальних індикаторних діаграм показав, що розбіжності за рівнем максимального тиску згоряння не перевищують 5 %

Біографії авторів

Володимир Анатолійович Корогодський, Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Доктор технічних наук, доцент

Кафедра двигунів внутрішнього згоряння

Андрій Сергійович Роговий, Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Доктор технічних наук, доцент

Кафедра теоретичної механіки та гідравліки

Олександр Іванович Воронков, Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Доктор технічних наук, професор

Кафедра двигунів внутрішнього згоряння

Андрій Павлович Полив’янчук, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

Доктор технічних наук, професор

Кафедра інженерної екології міст

Павло Григорович Гакал, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»

Доктор технічних наук, доцент

Кафедра аерокосмічної теплотехніки

Олексій Юрійович Лисиця, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра аерокосмічної теплотехніки

Ігор Валентинович Худяков, Херсонська державна морська академія

Старший викладач

Кафедра експлуатації суднових енергетичних установок

Тамара Володимирівна Макарова, Вінницький національний технічний університет

Кандидатка економічних наук

Кафедра автомобілів та транспортного менеджменту

Марія Михайлівна Гнип, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Доктор філософії

Кафедра автомобільного транспорту

Євген Анатолійович Гаєк, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка

Кандидат технічних наук

Кафедра оптимізація технологічних систем імені Т. П. Євсюкова

Посилання

  1. World Energy Outlook 2020. IEA. Available at: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2020
  2. Parsadanov, I., Marchenko, A., Tkachuk, M., Kravchenko, S., Polyvianchuk, A., Strokov, A. et. al. (2020). Complex Assessment of Fuel Efficiency and Diesel Exhaust Toxicity. SAE Technical Paper Series. doi: https://doi.org/10.4271/2020-01-2182
  3. Liu, W. (2013). Introduction to Hybrid Vehicle System Modeling and Control. John Wiley & Sons Ltd. doi: https://doi.org/10.1002/9781118407400
  4. Migal, V., Lebedev, A., Shuliak, M., Kalinin, E., Arhun, S., Korohodskyi, V. (2020). Reducing the vibration of bearing units of electric vehicle asynchronous traction motors. Journal of Vibration and Control, 107754632093763. doi: https://doi.org/10.1177/1077546320937634
  5. Leontiev, D. N., Voronkov, O., Korohodskyi, V., Hlushkova, D., Nikitchenko, I., Teslenko, E., Lykhodii, O. (2020). Mathematical Modelling of Operating Processes in the Pneumatic Engine of the Car. SAE Technical Paper Series. doi: https://doi.org/10.4271/2020-01-2222
  6. Panchuk, M., Kryshtopа, S., Sladkowski, A., Kryshtopa, L., Klochko, N. et. al. (2019). Effi ciency of Production of Motor Biofuels for Water and Land Transport. Naše More, 66 (3), 6–12. doi: https://doi.org/10.17818/nm/2019/3.8
  7. Kryshtopa, S., Kryshtopa, L., Panchuk, M., Smigins, R., Dolishnii, B. (2021). Composition and energy value research of pyrolise gases. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 628, 012008. doi: https://doi.org/10.1088/1755-1315/628/1/012008
  8. Kryshtopa, S., Kryshtopa, L., Melnyk, V., Dolishnii, B., Prunko, I., Demianchuk, Y. (2017). Experimental research on diesel engine working on a mixture of diesel fuel and fusel oils. Transport Problems, 12 (2), 53–63. doi: https://doi.org/10.20858/tp.2017.12.2.6
  9. Panchuk, M., Kryshtopa, S., Panchuk, A. (2020). Innovative Technologies for the Creation of a New Sustainable, Environmentally Neutral Energy Production in Ukraine. 2020 International Conference on Decision Aid Sciences and Application (DASA). doi: https://doi.org/10.1109/dasa51403.2020.9317165
  10. Panchuk, M., Kryshtopa, S., Panchuk, A., Kryshtopa, L., Dolishnii, B., Mandryk, I., Sladkowski, A. (2019). Perspectives for developing and using the torrefaction technology in Ukraine. International Journal of Energy for a Clean Environment, 20 (2), 113–134. doi: https://doi.org/10.1615/interjenercleanenv.2019026643
  11. Panchuk, M., Kryshtopa, S., Sładkowski, A., Panchuk, A. (2020). Environmental Aspects of the Production and Use of Biofuels in Transport. Lecture Notes in Networks and Systems, 115–168. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-42323-0_3
  12. Van Basshuysen, R. (Ed.) (2017). Ottomotor mit Direkteinspritzung und Direkteinblasung. Springer, 621. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-658-12215-7
  13. Alturki, E. W. (2017). Four-Stroke and Two-Stroke Marine Engines Comparison and Application. International Journal of Engineering Research and Applications, 07 (04), 49–56. doi: https://doi.org/10.9790/9622-0704034956
  14. Eroschenko, S. A., Korogodskiy, V. A., Kagramanyan, A. A., Vrublevskiy, A. N., Vasilenko, O. V., Oboznyy, S. V. (2012). Eksperimental'nye issledovaniya dvigatelya s iskrovym zazhiganiem i neposredstvennym vpryskivaniem topliva pri rabote na benzo-etanol'noy smesi. Dvigateli vnutrennego sgoraniya, 1, 8–9. Available at: http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/61/1/DVS_2012_1_Eroshenkov_Eksperimentalnye%20issledovaniya.pdf
  15. Korohodskyi, V. (2020). Comparison of technical, economic and environmental indicators of two-stroke and fourstroke engines according to load characteristics. Bulletin of Kharkov National Automobile and Highway University, 90, 80–94. doi: https://doi.org/10.30977/bul.2219-5548.2020.90.0.80
  16. Korohodskyi, V., Khandrymailov, A., Stetsenko, O. (2016). Dependence of the coefficients of residual gases on the type of mixture formation and the shape of a combustion chamber. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (5 (79)), 4–12. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.59789
  17. Korohodskyi, V., Voronkov, A., Migal, V., Nikitchenko, I., Zenkin, E., Rublov, V., Rudenko, N. (2020). Determining the criteria and the degree of the stratification of the air-fuel charge in a cylinder of a spark-ignition engine during injecting fuel. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 977, 012002. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899x/977/1/012002
  18. Korohodskyi, V., Kryshtopa, S., Migal, V., Rogovyi, A., Polivyanchuk, A., Slyn’ko, G. et. al. (2020). Determining the characteristics for the rational adjusting of an fuel-air mixture composition in a two-stroke engine with internal carburation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (5 (104)), 39–52. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.200766
  19. Caton, J. (2018). The Thermodynamics of Internal Combustion Engines: Examples of Insights. Inventions, 3 (2), 33. doi: https://doi.org/10.3390/inventions3020033
  20. Bajwa, A. U., Patterson, M., Linker, T., Jacobs, T. J. (2019). A New Single-Zone Multi-Stage Scavenging Model for Real-Time Emissions Control in Two-Stroke Engines. ASME 2019 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference. doi: https://doi.org/10.1115/icef2019-7198
  21. De Faria, M. M. N., Vargas Machuca Bueno, J. P., Ayad, S. M. M. E., Belchior, C. R. P. (2017). Thermodynamic simulation model for predicting the performance of spark ignition engines using biogas as fuel. Energy Conversion and Management, 149, 1096–1108. doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.06.045
  22. Finesso, R., Spessa, E. (2014). A real time zero-dimensional diagnostic model for the calculation of in-cylinder temperatures, HRR and nitrogen oxides in diesel engines. Energy Conversion and Management, 79, 498–510. doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.12.045
  23. Douvartzides, S., Karmalis, I., Ntinas, N. (2020). Thermodynamic Cycle Analysis of an Automotive Internal Combustion Engine With the Characteristics of the Commercial BMW N54 Spark-Ignition Model. Journal of Energy Resources Technology, 142 (10). doi: https://doi.org/10.1115/1.4046600
  24. Caton, J. A. (2018). Maximum efficiencies for internal combustion engines: Thermodynamic limitations. International Journal of Engine Research, 19(10), 1005–1023. doi: https://doi.org/10.1177/1468087417737700
  25. Wissink, M. L., Splitter, D. A., Dempsey, A. B., Curran, S. J., Kaul, B. C., Szybist, J. P. (2017). An assessment of thermodynamic merits for current and potential future engine operating strategies. International Journal of Engine Research, 18 (1-2), 155–169. doi: https://doi.org/10.1177/1468087416686698
  26. Merker, G. P., Teichmann, R. (Eds.) (2014). Grundlagen Verbrennungsmotoren. Funktionsweise, Simulation, Messtechnik. Springer, 1132. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-658-03195-4
  27. Kavtaradze, R. Z., Onischenko, D. O. (2013). Modelirovanie i raschet rabochego protsessa v dvigatelyah. Odnozonnye i mnogozonnye modele. V kn. RAN. Mashinostroenie. Entsiklopediya. Vol. IV-14. Dvigateli vnutrennego sgoraniya. Moscow: Mashinostroenie, 102–113. Available at: https://ua1lib.org/book/3240340/497a21?regionChanged=&redirect=227103051
  28. Pischinger, R., Klell, M., Sams, T. (2009). Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine. Springer, 475. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-211-99277-7
  29. Medina, A., Curto-Risso, P. L., Hernández, A. C., Guzmán-Vargas, L., Angulo-Brown, F., Sen, A. K. (2014). Quasi-Dimensional Simulation of Spark Ignition Engines. Springer-Verlag, 195. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4471-5289-7
  30. Wang, Y. (2020). A Novel Two-Zone Thermodynamic Model for Spark-Ignition Engines Based on an Idealized Thermodynamic Process. Energies, 13 (15), 3801. doi: https://doi.org/10.3390/en13153801
  31. Stepanenko, D., Kneba, Z. (2019). Thermodynamic modeling of combustion process of the internal combustion engines – an overview. Combustion Engines, 178 (3), 27–37. doi: https://doi.org/10.19206/ce-2019-306
  32. Kaprielian, L., Demoulin, M., Cinnella, P., Daru, V. (2013). Multi-Zone Quasi-Dimensional Combustion Models for Spark-Ignition Engines. SAE Technical Paper Series. doi: https://doi.org/10.4271/2013-24-0025
  33. Baratta, M., Ferrari, A., Zhang, Q. (2018). Multi-zone thermodynamic modeling of combustion and emission formation in CNG engines using detailed chemical kinetics. Fuel, 231, 396–403. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.05.088
  34. Monteiro, E., Rouboa, A., Bellenoue, M., Boust, B., Sotton, J. (2014). Multi-zone modeling and simulation of syngas combustion under laminar conditions. Applied Energy, 114, 724–734. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.08.027
  35. Sun, Z. Y., Xu, C. (2020). Turbulent burning velocity of stoichiometric syngas flames with different hydrogen volumetric fractions upon constant-volume method with multi-zone model. International Journal of Hydrogen Energy, 45 (7), 4969–4978. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.12.054
  36. Azarmanesh, S., Targhi, M. Z. (2021). Comparison of laser ignition and spark plug by thermodynamic simulation of multi-zone combustion for lean methane-air mixtures in the internal combustion engine. Energy, 216, 119309. doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119309
  37. Bhat, V., Tamma, B. (2014). Development of Multi-Zone Phenomenological Model for SI Engine. SAE Technical Paper Series. doi: https://doi.org/10.4271/2014-01-1068
  38. Glagolev, N. M. (1950). Rabochie protsessy dvigateley vnutrennego sgoraniya. Moscow: Mashgiz, 480. Available at: https://ua1lib.org/book/2445345/fa8d8f
  39. D'yachenko, V. G. (1970). Differentsial'nye uravneniya protsessa gazoobmena dvigateley vnutrennego sgoraniya. Dvigateli vnutrennego sgoraniya, 11, 17–24. Available at: https://www.twirpx.com/file/935076/
  40. Martyr, A. J., Plint, M. A. (2012). Engine Testing. The Design, Building, Modification and Use of Powertrain Test Facilities. Butterworth-Heinemann. doi: https://doi.org/10.1016/c2010-0-66322-x
  41. Bernhard, F. (Ed.) (2014). Handbuch der Technischen Temperaturmessung. Springer Vieweg, 1619. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-642-24506-0
  42. Korogodskiy, V. A., Stetsenko, O. N. (2016). Rezul'taty modelirovaniya protsessa sgoraniya rassloennogo toplivno-vozdushnogo zaryada v dvuhtaktnom dvigatele s iskrovym zazhiganiem. Mizhnar. nauk.-prakt. ta nauk.-metod. konf.: Novitni tekhnolohiyi v avtomobilebuduvanni, transporti i pry pidhotovtsi fakhivtsiv. Kharkiv: KhNADU, 216–217. Available at: https://af.khadi.kharkov.ua/fileadmin/F-AUTOMOBILE/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D1%86%D1%96%D1%97/2016_conf_III/sbornik_2016.pdf
  43. Kulygin, V. I., Korogodskyj, V. A., Kyrylyuk, I. O., Lomov, S. G. (2007). Pat. No. WO/2009/044225. A Method of Mixing in a Combustion Chamber of an Internal Combustion Engine and a Spark-Ignition Direct-Injection Stratified Fuel-Air Charge Internal Combustion Engine. No. WO/2009/044225; declareted: 27.12.2007; published: 09.04.2009. Available at: https://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docId=WO2009044225&tab=PCTBIBLIO
  44. Hoppe, N., Weberbauer, F., Woschni, G., Zeilinger, K. (2003). Experimentelle Erfassung und Simulation des Betriebsverhaltens von Ottomotoren mit Direkteinspritzung. MTZ - Motortechnische Zeitschrift, 64 (7-8), 628–635. doi: https://doi.org/10.1007/bf03227117
  45. Korogodskiy, V. A. (2017). Nauchnye osnovy perspektivnyh rabochih protsessov dvigateley s vnutrennim smeseobrazovaniem i iskrovym zazhiganiem. Kharkiv: KhNADU, 380. Available at: http://library.kpi.kharkov.ua/uk/technics_Naospd
  46. Korohodskiy, V. A., Stetsenko, O. N., Tkachenko, E. A. (2015). The influence stratification of fuel and air charge on combustion indicators two-stroke engines with spark ignition. Collection of scientific works of the Ukrainian State University of Railway Transport, 154, 142–148. doi: https://doi.org/10.18664/1994-7852.154.2015.66009
  47. Petrichenko, R. M. (1983). Fizicheskie osnovy vnutritsilindrovyh protsessov v dvigatelyah vnutrennego sgoraniya. Leningrad: LGU, 244. Available at: https://ua1lib.org/book/3084734/bb9887?regionChanged=&redirect=227115960
  48. Spektorov, L. G., Gurlyand, A. D. (1975). Raschet ispareniya benzina s poverhnosti zhidkoy plenki pri vpryske v dvigatel' s vosplameneniem ot iskry. Dvigateli vnutrennego sgoraniya, 22, 103–110. Available at: https://www.twirpx.com/file/1564689/
  49. D'yachenko, V. G. (2009). Teoriya dvigateley vnutrennego sgoraniya. Kharkiv: KhNADU, 500. Available at: https://1lib.nl/book/1275641/e44835
  50. Vibe, I. I. (1962). Novoe o rabochem tsikle dvigateley. Moscow: Mashgiz, 272. Available at: https://ua1lib.org/book/2445326/eafc04
  51. Kavtaradze, R. Z. (2016). Lokal'niy teploobmen v porshnevyh dvigatelyah. Moscow: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 520.
  52. Kavtaradze, R. Z. (2016). Teoriya porshnevyh dvigateley. Spetsial'nye glavy. Moscow: MGTU im. N.E. Baumana, 589. Available at: https://ua1lib.org/book/4988543/f696f3
  53. Caton, J. A. (Ed.) (2015). An Introduction to Thermodynamic Cycle Simulations for Internal Combustion Engines. John Wiley & Sons, Ltd, 367. doi: https://doi.org/10.1002/9781119037576
  54. Heywood, J. B. (2018). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Education. Available at: https://www.accessengineeringlibrary.com/content/book/9781260116106

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-04-30

Як цитувати

Корогодський, В. А., Роговий, А. С., Воронков, О. І., Полив’янчук, А. П., Гакал, П. Г., Лисиця, О. Ю., Худяков, І. В., Макарова, Т. В., Гнип, М. М., & Гаєк, Є. А. (2021). Розробка тризонної моделі згоряння щодо двигуна з іскровим запалюванням та розшаруванням паливоповітряного заряду. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(5 (110), 46–57. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.228812

Номер

Том 2 № 5 (110) (2021): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Владимир Анатольевич Корогодский, Андрей Сергеевич Роговой, Александр Иванович Воронков, Андрей Павлович Поливянчук, Павел Григорьевич Гакал, Алексей Юрьевич Лисица, Игорь Валентинович Худяков, Тамара Владимировна Макарова, Мария Михайловна Гнип, Евгений Анатольевич Гаек

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.