NUMERICKÝ VÝPOČET VÝŠLEHU ZE ZAPALOVACÍ KOMŮRKY ZÁŽEHOVÉHO MOTORU

NUMERICKÝ VÝPOČET VÝŠLEHU ZE ZAPALOVACÍ KOMŮRKY ZÁŽEHOVÉHO MOTORU Dvořák V., Beroun S. Ing. Václav Dvořák, Ph.D., Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní, Katedra energetických zařízení, [email protected] Prof. Ing. Stanislav Beroun, CSc., Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní, Katedra vozidel a motorů, [email protected]

Anotace Příspěvek se zabývá numerickým výpočtem proudění po jiskrovém zážehu směsi v zapalovací komůrce zážehového motoru. Zapalovací komůrka je použita k vylepšení zážehového spalování, snížení variability pracovního cyklu zážehového motoru a zvýšení účinnosti přeměny tepelné energie v mechanickou energii. Zkoumané varianty zapalovacích komůrek mají novou konstrukci. Jedna elektroda je vytvořena přímo stěnou zapalovací komůrky a druhá elektroda vytváří střed zapalovací komůrky. Jiskrový výboj potom zapaluje jak spalovací směs uvnitř komůrky, tak směs vně komůrky.

Annotation The contribution deals with numerical calculation of flow after spark ignition in the lighter chamber of spark ignition engine. The lighter chamber is used to improve the spark ignition process, repeatability of the working cycle and efficiency of spark ignition engine. Investigated variations of lighter chamber have new construction. One electrode is shaped by the lighter chamber wall and the second electrode shapes the centre of the chamber. The spark than ignites the fuel mixture both inside and outside the lighter chamber.

Úvod Výzkumný experimentální program v laboratoři spalovacích motorů Katedry vozidel a motorů, zaměřený na spalovací proces v pístových spalovacích motorech prokazuje, že nepřímý zážeh homogenní směsi ve válci zážehového motoru výšlehem ze zapalovací komůrky významně snižuje variabilitu pracovního cyklu v zážehovém motoru, zvyšuje proti klasickému zážehu hodnotu středního indikovaného tlaku a motor proto pracuje s vyšší účinností přeměny tepelné energie v mechanickou práci [1], [2], [3] a [4]. Analýza provedených měření (termodynamická analýza vysokotlaké indikace, vizualizace hoření směsi ve válci motoru) prokazuje, že tato zlepšení souvisí s rychlým rozvojem ohniska zážehu v chráněném prostoru (komůrky) kolem elektrod zapalovací svíčky, výšlehem hořící směsi z prostoru komůrky a vytvořením většího počtu sekundárních ohnisek hoření, přičemž energie komůrkového zážehu je stokrát větší než energie vlastního elektrického výboje. Vedle experimentálního ověřování mechanizmu komůrkového zážehu přímo na motoru byl výzkum veden i cestou modelování plnění obsahu komůrky čerstvou směsí při kompresním zdvihu ve válci a výtoku hořící směsi z komůrky do prostoru válce [5]. Další výzkum přinesl podstatné vylepšení konstrukce komůrkového zážehu, kdy elektrody zapalovací svíčky jsou tvořeny vlastní stěnou komůrky [6]. Současná práce se zabývá porovnáním výšlehů žhavého plynu z komůrky pro různé konstrukční varianty zapalovací komůrky.

ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -1-

Zkoumané varianty Na obrázku 1 jsou zakresleny počítané varianty zapalovacích komůrek. Varianta „A“ na obrázku 1A se vyznačuje vnitřní elektrodou o průměru 0,5 mm umístěnou ve středovém otvoru o průměru 1,8 mm ve vnější elektrodě a třemi bočními otvůrky o průměru 1,6 mm. Tato zapalovací komůrka o objemu 0,5 dm3 má velmi příznivý vliv na způsob hoření, zvýšení opakovatelnosti cyklu a účinnosti motoru [6]. Nedostatkem této konstrukce je příliš slabá vnitřní elektroda, která se v průběhu experimentů deformovala, a došlo dokonce k jejímu styku s vnější elektrodou. Z tohoto důvodu došlo ke změně konstrukce podle obrázku 1B, která se vyznačuje pouze jedním otvorem o průměru 4 mm a vnitřní elektrodou o průměru 2,4 mm. Tato zapalovací komůrka je odolnější, ale při provozu dochází ke zvýšení počtu detonačních cyklů [6]. Předpoklad, že detonace je způsobena příliš rychlým nástupem hoření, vedl k přidání bočních otvůrků o průměru 1,6 mm k poslední variantě „C“ na obrázku 1C. V tabulce 1 jsou vyneseny základní rozměry komůrek a rovněž redukovaná hloubka komůrky h definovaná poměrem objemu komůrky V ku celkové ploše otvůrků A a charakteristický rozměr otvorů D definovaný jako čtyřnásobek poměru plochy otvůrků A ku jejich celkovému obvodu L .

„A“

„B“

„C“

Obrázek 1: Zkoumané varianty zapalovacích komůrek. Varianta komůrky Průměr středového otvůrku [mm] Průměr středové elektrody [mm] Počet bočních otvůrků [ - ] Průměr bočních otvůrků [mm] Celková plocha otvůrků [mm2] Objem komůrky [mm3] Redukovaná hloubka komůrky [mm] Obvod otvůrků [mm] Charakteristický rozměr [mm]

dc de n dl A V h =V A L D = 4A L

A) 1.8 0.5 3 1.6 8.38 550 65.6 20.7 1.62

B) 4 2.4 0 8.04 750 93.3 12.6 2.56

C) 4 2.4 3 1.6 14.07 750 53.3 27.6 2.04

Tabulka 1: Základní rozměry zapalovacích komůrek. ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -2-

Numerický model Numerický výpočet proběhl v komerčním software Fluent 6.3.26. Použit byl řešič pressure based, vyznačující se u této úlohy lepší konvergencí, upwind druhého řádu. Médiem byl vzduch jako ideální plyn, pro modelování turbulence byl použit model Realizable k-epsilon, vylepšené stěnové modelování. Oproti práci [5] nebyla použita dynamická síť, komprese ve válci byla nahrazena měnící se okrajovou podmínkou klidového tlaku a teploty nadefinovanou pomocí UDF funkcí v závislosti na kinematice klikového mechanizmu, tj. zdvihu Z = 0.0869 m, délky ojnice L = 0.138 m a kompresním poměru ε = 10.3 . Hoření v objemu zapalovací komůrky bylo nahrazeno objemovým zdrojem tepla, jehož rozložení v čase bylo dáno Wiebeho charakteristickou rovnicí hoření podle vztahu m

⎛ ϕ −a0 ⎞

m +1

c(m + 1) ⎛ ϕ − a0 ⎞ −c ⎜⎜⎝ a1 ⎟⎟⎠ Source = Q , (1) ⎜ ⎟ e a1 ⎝ a1 ⎠ kde ϕ je úhel pootočení klikového hřídele, a1 = 2° je doba hoření (dodávání tepla, ověřeno vizualizací ve válci motoru), a0 = 160° je začátek hoření směsi v komůrce, Q = 15 GW/m3 je objemová hustota výkonu zdroje. Konstanta c = 4.6 určuje množství tepla, při jehož uvolnění výpočet rovnice končí, v tomto případě je to 99%. Parametr hoření m1 = 0.05 určuje okamžik s největším uvolněním tepla (malá hodnota m1 zaručuje rychlý průběh hoření na jeho počátku). Je přitom předpokládáno, že teplo je rovnoměrně dodáváno do celého prostoru komůrky po celou dobu hoření.

Obrázek 2: Výpočtová síť základní varianty „A“ a okrajové podmínky. Výpočet proběhl pro otáčky motoru n = 3000 / min . Časový krok při výpočtu komprese až do ϕ = 158° byl Δt = 5.5556 ⋅10-5 , což odpovídá pootočení klikového hřídele o Δϕ = 1° . Poté byl časový krok snížen na desetinu, tj. Δt = 5.556 ⋅10-6 a Δϕ = 0.1° , výpočet byl zastaven po ukončení výšlehu z komůrky. ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -3-

Výpočet byl proveden na třetinovém modelu patrném z obrázku 2. Výstupní okrajová podmínka „pressure outlet“ s proměnným tlakem a teplotou nahrazující pohyb pístu ve válci je kulová plocha o poloměru R = 0.035 m se středem umístěným v ose komůrky. Vzdálenost mezi okrajovou podmínkou a středovým otvorem komůrky je 0.03 m. Počet výpočtových buněk pro jednotlivé varianty byl okolo 160 tisíc.

Výsledky Na obrázcích 3 až 5 jsou zobrazeny kontury rychlostí pro jednotlivé varianty zapalovacích komůrek zobrazené ve dvou na sebe kolmých řezech. První řez je definovaný rovinou, ve které leží osa středového otvůrku a rovněž osa bočního otvůrku. Druhý řez je definován rovinou rovnoběžnou s rovinou středového otvoru vzdálenou od téhož otvoru 0,008 m. Na obrázku 3 jsou zobrazeny kontury rychlostí 1,2° po zážehu, tj. od začátku dodávání tepla do prostoru komůrky. Podobně jsou kontury rychlostí na obrázku 4 zobrazeny 2,2° po zážehu, tj. již v době po ukončení dodávání tepla a na obrázku 5 jsou kontury rychlostí zobrazeny 3,2° po zážehu.

A)

B)

C) Obrázek 3: Kontury rychlostí v rovině bočního otvoru (nalevo) a v rovině vzdálené 0,008 m od roviny středového otvoru (napravo) pro jednotlivé varianty komůrky, 1,2° po zážehu. Rychlosti v rozsahu 0÷850 m/s. Mnohé o výšlehu ze zapalovací komůrky napoví již redukované hloubky komůrek h a charakteristické rozměry otvůrků D v tabulce 1. Z té vyplývá, že redukovaná hloubka komůrky je největší pro variantu „B“ a nejmenší pro variantu „C“. Díky tomu naroste u varianty „B“ dodáváním tepla nejvíce tlak a teplota uvnitř komůrky a následný výšleh je delší a je dosaženo největších rychlostí, zatímco u varianty „C“ s nejmenší redukovanou hloubkou komůrky jsou rychlosti nejmenší. Ze stejného důvodu je při Δϕ = 3,2° výšleh u variant „A“ ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -4-

a „C“ již ukončen, zatímco u varianty „B“ nikoliv, tento proud má rovněž veliký dosah. Z obrázků 3 až 5 je patrné, že u varianty „B“ a „C“ dochází u středového otvůrku k charakteristickému zakřivení proudu do podoby hřibu, zatímco u varianty „A“ s malým průměrem středové elektrody k tomuto nedochází. Rovněž u varianty „A“ proudy z jednotlivých otvůrků zůstávají oddělené, zatímco u varianty „C“ dojde ke spojení bočních proudů se středovým. Výsledný dosah proudu lze dávat do souvislosti s charakteristickým rozměrem otvůrků, kdy opět proud u varianty „B“ s největším charakteristickým rozměrem D má největší dosah.

A)

B)

C) Obrázek 4: Kontury rychlostí v rovině bočního otvoru (nalevo) a v rovině vzdálené 0,008 m od roviny středového otvoru (napravo) pro jednotlivé varianty komůrky, 2,2° po zážehu. Rychlosti v rozsahu 0÷600 m/s. Výšleh hořící směsi z vnitřního prostoru zapalovací komůrky podpoří zapálení směsi v kompresním prostoru ve válci motoru ve více ohniscích, než je tomu v případě klasické zapalovací svíčky. Tento poznatek je aplikován na konstrukci zapalovací svíčky s integrovanou komůrkou. Experimentální ověřování komůrkového zážehu probíhá na motoru (vysokotlaká indikace s termodynamickou analýzou, vizualizace počáteční fáze hoření ve válci motoru), výpočtovým modelováním jsou sledovány vybrané parametry výšlehu z komůrky. Jedním ze sledovaných parametrů je tak např. turbulentní kinetická energie k , jejíž průměrné hodnoty ve vnějším prostoru modelu v průběhu výšlehu jsou vyneseny do diagramu na obrázku 6a. Je totiž známé, že dostatečné promíchání a turbulence ve směsi před zapálením je výhodná pro spalovací proces a snížení variability cyklů. Z výsledků na obrázku 6a je patrné, že největší turbulentní kinetické energie je dosaženo u varianty „B“ a nejmenší u varianty „C“. Je tedy zřejmé, že celková velikost turbulentní kinetické energie je v relaci s ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -5-

vlastní kinetickou energií vystupující hořící směsi, tedy s druhou mocninou dosažené výstupní rychlosti, která je přímo úměrná redukované hloubce komůrky h .

Obrázek 5: Kontury rychlostí v rovině bočního otvoru (nalevo) a v rovině vzdálené 0,008 m od roviny středového otvoru (napravo) pro jednotlivé varianty komůrky, 3,2° po zážehu. Rychlosti v rozsahu 0÷350 m/s. "A"

"A"

S1000 [m2]

k [m2/s 2]

70 "B"

60

"C"

"B"

1.2E-04

"C" 1.0E-04

50 8.0E-05

40 6.0E-05

30

4.0E-05

20

2.0E-05

10

0

0.0E+00

0

1

2

3

a)

4 Δφ [°] 5

0

1

2

3

4 Δφ [°] 5

b)

Obrázek 6: a) - Průběh průměrné turbulentní kinetické energie vně komůrky po zážehu, b) – Průběh plochy rozhraní proudu definovaného teplotou 1000K po zážehu. ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -6-

Na obrázku 6b je vynesen průběh velikosti rozhraní proudu vyšlehlého ze zapalovací komůrky. Identifikační teplota 1000 K byla zvolena jako hranice proudu, nikoliv jako plocha, na které bude skutečně daná teplota, která se po výšlehu proudu změní vlivem hoření spalovací směsi v okolí zapalovací komůrky. Z obrázku 6b je patrné, že maximální hodnoty plochy proudu stejně jako časové průběhy hoření jsou v relaci s velikostí objemu zapalovací komůrky V . U varianty „A“ o objemu 500 mm3 je tak rozhranní proudu menší a vlastní proud rychleji zaniká. U varianty „B“ a „C“ s komůrkou o objemu 750 mm3 je rozhranní proudu větší a proud si déle zachovává svoji identitu.

Závěr V programu Fluent 6.3.26 byly provedeny numerické výpočty výšlehu hořící spalovací směsi ze zapalovací komůrky. Výpočty byly provedeny zjednodušeně, vlastní hoření bylo nahrazeno časově omezeným dodáváním tepla do prostoru zapalovací komůrky. Z rozboru jednotlivých konstrukčních variant a z analýzy proudění při výšlehu se dají formulovat následující závěry: Redukovaná hloubka komůrky h získaná jako poměr objemu komůrky V ku průtočné ploše otvůrků A má zásadní vliv na dosažený tlak a teplotu v komůrce během dodávání tepla a na dobu výšlehu. Vyššímu tlaku a teplotě v prostoru komůrky a delší době výšlehu pak odpovídají vyšší výstupní rychlosti výšlehu a vyšší dosažená turbulentní kinetická energie v bezprostředním okolí otvůrků komůrky. Plocha rozhranní proudu stejně jako časový průběh rozhranní proudu korespondují s objemem komůrky V . Při větším objemu V si proud déle zachovává svoji identitu. Dosah proudu je ovlivněn nejen charakteristickým rozměrem otvůrků zapalovací komůrky, ale i celkovým konstrukčním uspořádáním komůrky. Přes uvedené závěry a získaná data nelze jednoznačně formulovat doporučení pro konstrukci zapalovacích komůrek, neboť tyto jednoduché výpočty nesimulují přímo proces zážehu a hoření ve válci spalovacího motoru. Výpočtové simulace jsou však potřebným doplněním výzkumného programu. Finální optimalizace provedení zapalovací komůrky bude potom výsledkem vhodné kombinace experimentálních prací na motoru a výpočtových metod (např. [7]) aplikovaných na vnitřní aerodynamiku ve válci motoru pro hledání globálního optima.

Poděkování Tato práce vznikla v rámci Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka, projektu Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České Republiky č. 1M0568.

Literatura [1]

Beroun, S., Blažek, J.: Nepřímý zážeh směsi ve válci vozidlového benzinového motoru. Mezinárodní konference MOTORSYMPO 03, ČVUT Praha, ÚVMV Praha. Brno 2003.

[2]

Beroun, S., Blažek, J.: Vliv způsobu zážehu směsi ve válci motoru na průběh hoření. Mezinárodní konference kateder a pracovišť českých a slovenských vysokých škol. Technická univerzita v Liberci, Liberec 2003.

[3]

Beroun, S., Blažek, J.: The possibility of the improvement of the combustion process stability in gas engines. International Conference Gas Engines 2003, Technical University of Czestochowa, 2003.

[4]

Beroun, S., Blažek, J., Brabec, P., Štechr, V.: Vliv komůrkového zážehu na spalovací proces rychloběžného zážehového motoru. Mezinárodní konference kateder a pracovišť českých a slovenských vysokých škol. Mendlova zemědělská univerzita v Brně, Brno 2004. ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -7-

[5]

Dvořák, V.: Výměna náplně v zapalovací komůrce zážehového motoru. In: Colloquium Fluid Dynamics 2004, UT AVČR, 3. - 5. 11. 2004, Praha, ČR, pp. 35 - 38. ISBN 8085918-89-7, LN00B073.

[6]

Blažek, J., Beroun, S.: Spark plug with the increased energy for creating of initial combustion centre. Journal of KONES, Vol.15, No.3. Warsaw 2008, ISSN 1231-4005.

[7]

Sládek, A.: Optimalizační metody pro úlohy mechaniky tekutin, disertační práce, školitel Šafařík, P., ČVUT, Praha 2006.

ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -8-