Форкамера в строительстве что это такое: Форкамера в строительстве что это такое

Date: 31.07.1970

Author: admin

Содержание

Для чего нужны форкамеры, впускной и выпускной клапан

Рейтинг автора

Автор статьи

Опытный специалист по системам вентиляции и кондиционирования. Работает в этой сфере более 15 лет.

Написано статей

На то, как качественно будет проводиться работа, влияет множество факторов: требуется учитывать параметры и особенности системы вентиляции, площадь и тип помещения, климатические условия, в которых оно находится, иные важные характеристики – их бывает достаточно много.

Если помещение находится в экологически чистом районе, можно обойтись кондиционером или простой вентиляцией, но если атмосферный воздух достаточно загрязнен, придется прибегнуть к более сложным способам его очистки. Для этого применяют специальное помещение для очистки воздуха, именуемое форкамерой.

Краткое содержание

Как очищаются большие объемы воздуха?

Благодаря этому большинство частиц, засоряющих кислород, остается на улице и изначально не попадает в вентиляционную систему. Лишние летучие соединения будут отводиться обратно в атмосферу благодаря клапану.

Схема работы форкамеры

Вентиляторы

В предварительной камере устанавливают специальный вентилятор, в зависимости от того, насколько большой объем помещения и какие качественные характеристики у воздуха, может меняться оснащение данной комнаты. Вентилятор с приводом от двигателя помогает разогнать потоки, создать необходимую тягу; чем площадь больше, тем мощнее должно быть устройство.

Если помещение небольшое, то хватит и направляющего вентилятора: он, как правило, не имеет мощного мотора, меньше шумит и стоит дешевле. Его задачей является разделение воздуха на каналы, входящий и исходящий. Часто систему дополняют специальными фильтрами, которые позволяют создать шумовой барьер, иначе в основном помещении будет слышна работа вентилятора, что не очень приятно, если постоянно там находиться. Узнать больше как бороться с шумом вентиляции можно в этой публикации https://ventilation-conditioning.ru/zdorove/shum-ventilyacii.html.

Особенности форкамер

Любая современная климатическая система, используемая в быту, предусматривает наличие такого приспособления. Так, используется форкамера в самолете, бассейне, поезде, применяется на кораблях, чтобы в каюты подавался свежий воздух. О системе вентиляции в самолете можно прочитать здесь.

Для понимания стоит рассмотреть работу устройства на примере типового помещения, по сути, оно работает везде одинаково. Система кондиционирования имеет несколько блоков – внешний и внутренний, оба достаточно сложно организованы. Чтобы в помещении можно было создать оптимальные условия, предусмотрены различные фильтры, иные блоки, работа которых нацелена на создание нужного микроклимата. Однако если помещение большое, обычный кондиционер со своей задачей справиться не сможет.

Для больших территорий, например, подземных парковок и супермаркетов, наряду с установкой противодымовой вентиляцией, применяются иные специальные установки. Они имеют мощные моторы, впускной воздушный клапан, позволяющий регулировать количество воздуха, проходящего через фильтры, выпускной воздушный клапан, через который выходит загрязненный и отработанный воздух. Это позволяет не только разделить потоки на два канала, но и сделать работу системы эффективной. На любой квадратуре такая вытяжка справится с обработкой большого объема, при этом затрачено на это будет минимальное количество времени. Для того чтобы установка правильно работала, требуется соблюдение следующих условий:

Качественная изоляция шума. Форкамера и остальная система работает достаточно громко;
Правильный расчет работы вентиляторов, слишком большая скорость потока воздуха создает сквозняки, а это неуместно для торговых центров;
Если оборудование устанавливается в рабочем цеху, наоборот, потребуются мощные двигатели, так как здесь нужен мощный поток воздуха, способный отвести все загрязнения на улицу через клапан;
Контроль над температурой. Мощные воздушные потоки в зависимости от термальных условий могут менять микроклимат помещения, поэтому важно все сбалансировать в нужных пропорциях.

Востребованность форкамер

Форкамера дает возможность контролировать воздушные массы, она устанавливается непосредственно перед системой очистки. Например, форкамера в электровозе – это небольшое помещение, через которое фильтруется воздух и позже по системе вентиляции попадает в вагоны, где им пользуется кондиционеры. Иными словами, благодаря этому в систему попадает предварительно отфильтрованный воздух.

В помещении предусмотрена возможность разделения воздушных масс на каналы. Если нужно, чтобы воздух был теплым, там ставят термостат, который позволяет регулировать температуру воздушных потоков и контролировать ее. В зимнее время системы вентиляции в поездах и больших помещениях используют как систему отопления. Радиатор в данном случае будет не нужен: в каналах для воздушных потоков устанавливают специальные решетки, и этого достаточно для полного контроля над помещениями.

При необходимости воздух в форкамере можно подвергнуть технической обработке, например, санитарной. Приспособление применяется для вентиляционных систем закрытого и полузакрытого типа при учете их большой площади. Закладка такого помещения происходит при строительстве здания, однако если его нет, форкамеру можно достроить или превратить в нее пустующую комнату.

Мнение эксперта

Никоноров Владимир Алексеевич

Наш эксперт. Специалист в области кондиционирования и вентиляции с 10-летним стажем.

Задать вопрос

Если форкамера нужна в частном доме, разрешение не требуется, но для многоквартирного придется его получить. В любом случае, чтобы устройство могло работать правильно, требуется грамотно составленный проект, в противном случае от него будет мало пользы. Кроме этого, должна быть грамотно рассчитана вентиляция с учетом особенностей климата, площади помещения и иных нюансов.

Отличная статья 0

Форкамера — специфика, особенности и востребованность

Помещению в экологически чистой зоне достаточно установки современного кондиционера. А вот промышленным постройкам и супермаркетам для нормального кондиционирования требуется наличие специального помещения – воздушной камеры, форкамеры.

Содержание статьи

Специфика очистки больших объёмов воздуха

Можно легко оценить тот факт, насколько необходимой является форкамера в вентиляции, рассмотрев, что это такое детальнее. Приставка “фор” переводится “перед”, что позволяет рассматривать форкамеру, как предварительное помещение, в котором производится вентиляционный газообмен. Для мест с сильно загрязнённой атмосферой она становится отличным “фильтром” разделяющим внутреннюю систему вентиляции помещения и внешнюю.

Благодаря этой системе разделения открывается возможность надежно отсечь большинство факторов, способных ухудшать состояние воздуха в проветриваемом помещении. Или наоборот – оперативно отводить образующиеся внутри него летучие соединения наружу.

Для этих целей создается отдельное помещение – предварительная область или предкамера, в которой создается рабочий вентиляционный узел. Его техническое оснащение меняется в зависимости от скорости и качества проходящих воздушных потоков.

В некоторых случаях достаточно специального направляющего вентилятора, который разделяет входящий и выходящий воздух в предназначенные для этого каналы. Может понадобиться монтаж воздушных фильтров для очистки, обустройство шумоизоляции.

Особенности “предварительных” воздушных камер

Современные бытовые климатические системы, предназначенные для типовых помещений, как правило, не требуют обустройства форкамеры. Система кондиционирования, состоящая из внутреннего и внешнего блока, представляет собой сложное устройство. В нем уже имеются различные очищающие воздух фильтры и другие блоки, задача которых – создание оптимальных климатических условий в помещении. Но их рабочие возможности весьма ограничены. Даже мощные бытовые кондиционеры могут не справляться с охлаждением больших помещений. Их использование может оказаться экономически неоправданным.

Идея установки обычных кондиционеров в огромных промышленных постройках, подземных парковках, помещениях, размеры которых превышают несколько сотен квадратных метров – будет нецелесообразной. Для них существуют отдельные мощные установки, способные обрабатывать огромную кубатуру воздушных масс за минимальное время. Но такая вентиляция требует соблюдения нескольких условий для нормальной работы:

Хорошая звукоизоляция. Прохождение большого количества воздуха сопровождается заметным шумом.
Сбалансированная подача на рабочие точки. Скорость забора и передачи воздуха мощными кондиционерами способна создавать сильный поток, который не подходит для супермаркетов.
Контроль скорости воздуха в системе. Мощный воздушный поток, предназначенный для отведения примесей, образующихся в результате производства, способен вместе с ними “захватить” и мелкие детали, используемые в работе.
Сохранение постоянного температурного режима. При высокой скорости движения больших объёмов воздуха их температура способна серьезно влиять на микроклимат помещения.

Итог: насколько востребованы форкамеры

Основное назначение форкамер – возможность управления поступающими внутрь помещения большими объёмами воздушных масс. В этом специальном помещении происходит разделение поступающих основных масс на рабочие каналы, предварительная очистка, нормализация скорости потоков и их температуры.

В зависимости от технического оснащения воздух может подвергаться дополнительной санитарной и другой необходимой обработке. Благодаря тому, что для этих целей выделено отдельное помещение, все вышеупомянутые процессы протекают незаметно и без неудобств.

Форкамера – обязательный элемент для обеспечения качественной вентиляции современных помещений закрытого и полузакрытого типа с большой квадратурой. Обычно ее создание планируется еще на этапе проектировки, поэтому любые связанные с ней строительные вопросы не возникают.

Желание создать предварительную воздушную камеру в частном порядке требует получения разрешения, но не всегда. Оно требуется, если речь идёт о многоквартирных домах и других постройках, в которых форкамера способна повлиять на нормальное движение воздушных масс.

Помните, что обустройство форкамеры – не такое простое занятие, как может показаться на первый взгляд. Без грамотного подхода к проекту можно получить лишь пристройку сомнительной пользы.

Схема вентиляции с форкамерой

Форкамера в вентиляции что это такое

Форкамера — специфика, особенности и востребованность

Создание комфортного микроклимата и очистка воздуха в помещении – далеко не всегда является настолько простой задачей, как может показаться на первый взгляд. Тип и размер помещения, окружающие его климатические условия, сложность используемой вентиляционной системы – соблюдаемых условий может оказаться много. Помещению в экологически чистой зоне достаточно установки современного кондиционера. А вот промышленным постройкам и супермаркетам для нормального кондиционирования требуется наличие специального помещения – воздушной камеры, форкамеры.

Специфика очистки больших объёмов воздуха

Можно легко оценить тот факт, насколько необходимой является форкамера в вентиляции, рассмотрев, что это такое детальнее. Приставка «фор» переводится «перед», что позволяет рассматривать форкамеру, как предварительное помещение, в котором производится вентиляционный газообмен. Для мест с сильно загрязнённой атмосферой она становится отличным «фильтром» разделяющим внутреннюю систему вентиляции помещения и внешнюю.

Особенности «предварительных» воздушных камер

Хорошая звукоизоляция. Прохождение большого количества воздуха сопровождается заметным шумом.
Сбалансированная подача на рабочие точки. Скорость забора и передачи воздуха мощными кондиционерами способна создавать сильный поток, который не подходит для супермаркетов.
Контроль скорости воздуха в системе. Мощный воздушный поток, предназначенный для отведения примесей, образующихся в результате производства, способен вместе с ними «захватить» и мелкие детали, используемые в работе.
Сохранение постоянного температурного режима. При высокой скорости движения больших объёмов воздуха их температура способна серьезно влиять на микроклимат помещения.

Итог: насколько востребованы форкамеры

Схема вентиляции с форкамерой

Полезные статьи и советы по системам вентиляции

Применение приточной вентиляции с подогревом, виды систем, принцип работы, детали, особенности и нюансы Схемы и чертежи, расчеты и монтаж системы.. Вентиляция в доме из сип панелей, ее значение и монтаж своими руками. Устройство естественной и принудительной вентиляции. Необходимость вентиляции в инкубаторе, ее виды, монтаж и значение. Самостоятельная установки вентиляционной системы и ее подключение. Где должны быть расположены розетки для подключения кондиционера, выбор места и расчет сетевой нагрузки, а также законы и тех.нормы. Установка… Понижение влажности воздуха в различных помещениях: на складе, в доме или квартире. Различные способы и советы специалистов, а также влияние…

Полезные статьи и советы по системам вентиляции

Принудительная вентиляция в доме, квартире, ванной и гараже, а также ее устройство, расчет по площади и выбор оборудования. Делаем вентиляцию… Проверка дымоходов и вентиляционных каналов, уполномоченные организации, лицензия, стоимость, периодичность и правила проверки. Составление и форма акта проверки. Конструктивные особенности регулируемых вентиляционных решеток, материалы изготовления и различия по месту установки. Правила выбора, стоимость и монтаж. Необходимость вентиляции в бассейне, ее виды,задачи, плюсы, особенности и требования. Установка системы в коттеджах и закрытых бассейнах. Шкаф управления вентиляцией, его назначение, а также стандартные и расширенные функции. Схема шкафов, а также правила их размещения и монтажа.

Полезные статьи и советы по системам вентиляции

Вытяжка для мангала, как и любая другая вентиляционная система, предназначена для очищения воздуха, выведения продуктов горения, запахов и пр. Как подобрать осушитель воздуха для бассейна на основе рассчетов и класификации устройства. Канальные, настенные осушители, расчет установки оборудования для осушения… Использование шибера для вентиляции крайне оправдано. Главное разобраться в том, что это такое и, чем выделяются шиберы, оснащенные электроприводом и… Используя щит управления вентиляцией, появляется возможность контролировать всю вентиляционную систему. Сборка осуществляется просто, а для управления можно использовать пульт. Начиная с проектирования промышленной вентиляции и заканчивая монтажом различных ее видов – все этапы стоить доверить профессионалам. Они предоставят правила…

Форкамера: что это такое?

Форкамера (предкамера) представляет собой специальную полость, которая расположена в головке цилиндров ДВС. Данная полость конструктивно сообщается с основной камерой сгорания в надпоршневом пространстве посредством одного и более каналов. Предкамерный (форкамерный) двигатель может быть как бензиновым, так и дизельным.

ДВС подобного типа представляет собой конструкцию, в которой смесеобразование и наполнение цилиндров происходит следующим образом:

топливно-воздушная смесь подается в предкамеру;
далее происходит частичное воспламенение смеси;
в результате сгорания давление в форкамере нарастает;
под действием такого давления разогретые пары топлива и газы от частичного сгорания в форкамере проникают в основную камеру сгорания в надпоршневом пространстве;

Содержание статьи

Для чего нужна форкамера в двигателе

Предкамера является предварительной камерой сгорания, в которую подается часть от общего заряда топливно-воздушной смеси, где происходит воспламенение топлива. Объем форкамеры составляет около 30% от общего объема основной камеры сгорания. Назначением данного решения выступает улучшение наполнения цилиндров, более эффективная организация газовых потоков в основной камере, а также повышение качества смесеобразования.

Данная схема позволяет реализовать более плавное и равномерное нарастание давления в основной камере сгорания, что снижает ударные нагрузки в цилиндрах ДВС.

Моторы с форкамерой работают мягче и полноценно сжигают топливно-воздушную смесь, уменьшается токсичность выхлопа, повышается КПД и снижается расход горючего.

Система форкамерно-факельного зажигания

Наличие форкамеры означает, что рабочая камера сгорания в таком двигателе разделена на составные части: предкамеру и основную камеру. Давайте рассмотрим принцип работы системы на примере карбюраторной модели ГАЗ «Волга» с предкамерным ДВС.

В предкамеру смесь поступает по специальному каналу, который выполнен во впускном коллекторе и ГБЦ. Смесь в форкамеру подается переобогащенной, для чего в карбюраторе присутствует отдельная секция. Предкамера также имеет отдельный впускной клапан. Далее происходит поджиг указанной смеси при помощи искры от свечи зажигания. В этот момент открывается впускной клапан основной камеры сгорания, который приводится в действие распредвалом ГРМ. В основную камеру поступает топливно-воздушная смесь. Порция этой смеси обедненная.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое гидрокомпенсатор. Из этой статьи вы узнаете о назначении и функции гидротолкателей в устройстве ГРМ.

Предкамера соединяется с основной камерой специальными сопловыми каналами, через которые в основную камеру прорывается пламя, газы и пары горючего из форкамеры. От контакта с ними обедненная смесь в основной камере также воспламеняется. Получается, форкамера представляет собой своеобразный механический «подвпрыск», отдаленно напоминая принцип двухступенчатой работы современных дизельных инжекторных форсунок.

Плюсы и минусы предкамерных двигателей

Внедрение предкамеры в устройство бензинового ДВС не получило широкого распространения. Определенные сложности конструкции и недостаточная эффективность работы системы во время реальной эксплуатации привели к отказу от схемы форкамерно-факельного зажигания.

Одновременно с уменьшением расхода топлива и снижением токсичности отработавших газов предкамерные двигатели отличались меньшей надежностью и стабильностью работы в определенных режимах.

Что касается дизельных моторов, предкамерные дизели встречаются чаще. Форкамерные дизельные двигатели имеют низкое давление впрыска сравнительно с другими дизельными агрегатами. Использование форкамеры в дизеле позволило снизить дымность силовой установки на разных режимах работы агрегата. Еще одним плюсом предкамеры на дизельном моторе выступает меньшая требовательность таких двигателей к качеству дизтоплива.

Главным недостатком предкамерного дизеля считается затрудненный пуск холодного мотора. Дело в том, что для уверенного пуска необходим качественный прогрев форкамеры. Использование электрических калильных свечей для эффективного нагрева воздуха в полости предкамеры не всегда обеспечивает облегченный пуск двигателя.

Читайте также

Форкамера — специфика, особенности и востребованность

Рекомендуем также прочитать статью о том, что будет, если в дизельный автомобиль залить бензин. Из этой статьи вы узнаете о возможных последствиях такой заправки для дизельного мотора

топливно-воздушная смесь подается в предкамеру;
далее происходит частичное воспламенение смеси;
в результате сгорания давление в форкамере нарастает;
под действием такого давления разогретые пары топлива и газы от частичного сгорания в форкамере проникают в основную камеру сгорания в надпоршневом пространстве;

Системы с предкамерой

В системе с предкамерой (форкамерой), используемой для дизельных двигателей легковых автомобилей, топливо впрыскивается в горячую предкамеру (дополнительную камеру). Здесь начинается предварительное воспламенение, чтобы достичь образования качественной смеси и уменьшения задержки воспламенения для основного процесса сгорания.
Топливо впрыскивается с помощью игольчатой форсунки при относительно низком давлении (до 300 бар). Специально разработанная поверхность экрана в центре камеры распределяет струю топлива, которая разбивается на части и интенсивно перемешивается с воздухом. Сгорание начинается и продвигает частично воспламененную топливо-воздушную смесь через отверстия на нижнем конце предкамеры в основную камеру сгорания над поршнем и смесь нагревается в процессе еще больше. При этом имеет место интенсивное перемешивание топлива с воздухом в основной камере сгорания, сгорание продолжается и завершается. Малый период задержки воспламенения и контролируемое высвобождение энергии при общем низком уровне давления в основной камере сгорания приводит к «мягкому» сгоранию с небольшим шумом и уменьшением нагрузки на двигатель. Оптимизированная версия предкамеры обеспечивает сгорание с пониженным содержанием токсичных соединений в выхлопных газах и уменьшение выбросов в среднем на 40%. Модифицированная форма предкамеры с углублением для испарения и измененная форма и положение поверхности экрана (шаровой стержень) обеспечивают специфическое завихряюшее действие на воздух, после того как он поступает из цилиндра в предкамеру после сжатия. Топливо впрыскивается под углом в 5° относительно оси предкамеры.

Рис. Системы с предкамерой

Накальная свеча располагается ниже воздушного потока для предотвращения помех при сгорании. Управляемый последующий накал в течение времени до 1 минуты после запуска холодного двигателя (в зависимости от температуры охлаждающей жидкости) служит для уменьшения состава выхлопных газов и уменьшения шумов при прогреве двигателя.

Компаундный паровой двигатель

[td]Упрощённая схема паровой компаунд-машины тройного расширения:

Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через двигатель, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет).

Большим минусом компаунд-машины, который выявило применение на паровозах, является невозможность трогания, если поршень в цилиндре высокого давления остановился в мертвой точке. Чтобы преодолеть этот недостаток паровозы с компаундной паровой машиной получили сложные приборы трогания, подающие кратковременно свежий пар сразу в два цилиндра.

На паровозах использовалось несколько вариантов компаундов:

цилиндры высокого и низкого давления располагаются параллельно один под другим снаружи рамы и работают на общий ползун. Данную схему имели паровозы американской постройки серий «B» и «X»;
цилиндры располагаются последовательно на общем длинном штоке (тандем-машина). По такой схеме строились российские паровозы серий «Р» и «П»;
Система де Глена — дополнительные цилиндры располагаются внутри рамы и работают на коленчатую ось. По данной схеме выпускались паровозы серии «У», а также опытный чехословацкий паровоз «18-01». В поздних сериях паровозов компаунд-машины не применялись из-за присущих им недостатков, добиваясь экономичности за счет перегрева пара.

Существенный вклад в изучение и применение паровой компаунд-машины на паровозах внёс российский инженер Александр Парфеньевич Бородин.

Система с вихревой предкамерой

В этой системе, используемой в дизельных двигателях легковых автомобилей, сгорание также начинается в дополнительной камере. В процессе сгорания используется дополнительная камера сгорания в форме шара или диска (вихревая камера) с поверхностью горловины (выреза), расположенной тангенциально в основной камере сгорания.

Рис. Система с вихревой предкамерой

Сильное завихрение воздуха образуется при такте сжатия, а топливо впрыскивается в этот завихренный воздух. Форсунка расположена так, что струя топлива поступает в завихрение воздуха перпендикулярно к его оси и ударяется в противоположную сторону камеры в зоне с горячей стенкой.

В начале процесса сгорания топливо-воздушная смесь выдавливается в основную камеру сгорания через поверхность горловины (выреза) и смешивается с остальным воздухом. По сравнению с процессом в предкамере потери потока между основной камерой сгорания и дополнительной (вихревой камерой) более низкие для вихревой камеры из-за того, что поперечное сечение потока больше. Это приводит к пониженной работе цикла наполнения с соответствующими преимуществами для внутренней эффективности и расхода топлива. Конструкция вихревой камеры, расположение и форма распылителя форсунки, а также расположение накальной свечи должны быть тщательно подобраны для обеспечения качественного смесеобразования во всем диапазоне оборотов и нагрузок двигателя. Дополнительным требованием является быстрый разогрев вихревой камеры после запуска холодного двигателя. Это уменьшает время задержки воспламенения и препятствует образованию несгоревших углеводородов (голубой дым) в выхлопных газах при прогреве.

Преимущества и недостатки дизеля

Преимущества

Главное преимущество дизеля – в его тяговитости. Он способен развивать большую мощность на низких оборотах, легко переносит перегрузки, резкие торможения и старты.

Второй плюс – экономичность. Литр солярки стоит немного дешевле, чем литр высокоактанового бензина, хотя продавцы топлива безсовестно уравнивают его с самым дорогим бензином.

Коэффициент полезного действия дизельного двигателя на средних оборотах доходит до 45 процентов, а с турбонаддувом и вовсе ‒ 50, для бензинового движка такие цифры вообще не реальны. К тому же дизель расходует меньше топлива.

Третий плюс – экологичность. У дизеля ниже токсичностью отработанных газов.

Следующее достоинство – долговечность и надёжность, так как дизтопливо одновременно и смазочный материал, предохраняющий от износа узлы двигателя.

Недостатки

Что касается недостатков, то один из самых существенных ‒ слабая морозоустойчивость. Летнее топливо становится густым при минус 5°С, зимнее ‒ при минус 35°С.

Ремонт дизеля и бензинового двигателя по стоимости примерно равноценны, если из строя не выйдет ТНВД. В таком случае владелец попадает на серьёзные деньги. А ломается ТНВД от отечественной солярки низкого качества. В свою очередь хорошее импортное горючее ‒ это уже несколько другая цена.

Дизельный двигатель хорош на малых и средних скоростях. Желание выжать из него максимум оборотов приносит быстрый износ узлов и деталей.

А ещё авто в дизельном варианте может стоить на треть дороже бензинового аналога.

У турбодизеля свои недостатки ‒ ресурс турбокомпрессора меньше ресурса самого двигателя. Обычно это не более 150.000 километров. К тому же турбина предъявляет повышенные требования по качеству моторного масла.

Ну и на счёт запаха выхлопов у дизельного движка. Возможно для кого-то это не критично, но запах есть, и при этом достаточно неприятный.

Системы с непосредственным впрыском (VI)

В системах с непосредственным впрыском, используемых главным образом в грузовых автомобилях и в стационарных дизельных двигателях всех размеров, образование смеси обходится без дополнительной вихревой камеры. Топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания над поршнем.

Рис. Системы с непосредственным впрыском

Процессы, описанные выше (распыление топлива, разогрев, испарение и смешивание с воздухом) должны в связи с этим, происходить в очень быстрой последовательности. Высокие требования предъявляются к впрыску топлива и к подаче воздуха. Как в системе с вихревой камерой, завихрение воздуха образуется при тактах впуска и сжатия. Этот вихрь вызывается с помощью специальной формы впускного канала в головке цилиндров. Конструкция верхней части поршня с встроенной камерой сгорания способствует движению воздуха в конце такта сжатия, т.е. в начале впрыска.

Формы камеры сгорания, использованные в процессе разразвития дизельных двигателей и широко используемые в настоящее время, соответствуют цилиндрической выемке в поршне, т.к. это предлагает компромисс между экономией при производстве и соответствующим контролем воздуха.

В дополнение к хорошему завихрению (турбулентности) воздуха, топливо также должно равномерно распределено для облегчения быстрого перемешивания. В отличие от двигателя с предкамерой с одноструйной игольчатой форсункой, в системах с непосредственным впрыском используется многоструйная форсунка. Расположение ее струй должно быть опрегулировано в соответствии с конструкцией камеры сгорания.

На практике для непосредственного впрыска используются два метода:

образование смеси с помощью контролируемого движения воздуха;
образование смеси почти исключительно с помощью впрыска топлива без контролируемого движения воздуха.

Во втором случае завихрение воздуха не включается в работу. Эго становится заметным в форме уменьшения потерь в цикле подачи топлива и улучшения наполнения цилиндра. В тоже время к оборудованию для впрыска топлива предъявляются более высокие требования относительно расположения и количества отверстий форсунки, качест ва распыления путем малых диаметров отверстий для распыления и очень высокого давления впрыска, необходимого для достижения требуемой краткой продолжительности впрыска.

В методе непосредственного впрыска, описанном выше, образование смеси достигается с помощью смешивания и испарения частичек топлива с частичками воздуха, окружающими их (метод распределения воздуха). В методе с распределением по стенкам, с другой стороны, топливо направляется к стенкам камеры сгорания, где оно испаряется и смешивается с воздухом.

Форкамера. Что это?

Очистка воздуха в любом помещении, будь это торговый комплекс, пекарня, кинотеатр, общественный транспорт или жилой дом – довольно сложная задача, решить которую не всегда легко. На то, как качественно будет проводиться работа, влияет множество факторов: требуется учитывать параметры и особенности системы вентиляции, площадь и тип помещения, климатические условия, в которых оно находится, иные важные характеристики – их бывает достаточно много.

Форкамера – это предварительное помещение, расположенное перед системой очистки, в нем происходит свободное движение воздуха, его обмен с атмосферой, для этого существует специальный воздушный клапан. Имеется также фильтр, позволяющий предварительно очистить атмосферный воздух, разделив внутреннюю и внешнюю вентиляцию. Это позволяет доставить до системы очистки уже отчасти отфильтрованный воздушный поток. Благодаря этому большинство частиц, засоряющих кислород, остается на улице и изначально не попадает в вентиляционную систему. Лишние летучие соединения будут отводиться обратно в атмосферу благодаря клапану.

Вентиляторы

Особенности форкамер

Качественная изоляция шума. Форкамера и остальная система работает достаточно громко;
Правильный расчет работы вентиляторов, слишком большая скорость потока воздуха создает сквозняки, а это неуместно для торговых центров;
Если оборудование устанавливается в рабочем цеху, наоборот, потребуются мощные двигатели, так как здесь нужен мощный поток воздуха, способный отвести все загрязнения на улицу через клапан;
Контроль над температурой. Мощные воздушные потоки в зависимости от термальных условий могут менять микроклимат помещения, поэтому важно все сбалансировать в нужных пропорциях.

Востребованность форкамер

Поставьте оценку этой статье: Метки: направляющий вентилятор, шумовой барьер

ventilation-conditioning.ru

Система непосредственного смешивания топлива с распределением по стенкам (М — система)

В этой системе впрыска для стационарных и коммерческих дизельных двигателей теплосодержание (теплоемкость) стенок углубления в поршне используется для испарения топлива, и топливо-воздушная смесь образуется с помощью соответствующего управления воздухом для сжатия.

Рис. Система непосредственного смешивания топлива с распределением по стенкам

Система работает с помощью одноструйной форсунки (т.е. форсунки с одним отверстием) при относительно низком давлении впрыска. Если движение воздуха в камере сгорания правильно отрегулировано, то может быть получена очень однородная топливо-воздушная смесь с длительной продолжительностью сгорания, низким ростом давления и, таким образом, более мягкое сгорание. Однако это увеличивает расход топлива по сравнению с системами с распределением воздуха.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Форкамера имеет две дверцы: наружную — для подачи в фор-камеру радиоактивных веществ, посуды, инструмента из помещения операторской и внутреннюю — для подачи радиоактивных веществ и других предметов внутрь камеры. [1]

Форкамера оборудована двумя дверцами: наружной — для подачи в форкамеру радиоактивных веществ, посуды, инструментов из помещений ремонтной зоны или операторской и внутренней — для подачи радиоактивных веществ и других предметов внутрь камеры. Светильник имеет высоту 100 мм, ширину 200 мм и длину 560 мм. [2]

Форкамера оборудована двумя дверцами: наружной — для подачи в форкамеру радиоактивного вещества, посуды, инструмента из помещений ремонтной зоны или операторской и внутренней — для подачи радиоактивного вещества и других предметов внутрь камеры. [3]

Форкамерный шнековый пресс производительностью 7 т / ч ( ПФК-7. [4]

Форкамера 4 с наружным обогревом через газовую рубашку аналогична автоклаву непрерывного действия, в котором нагретый полидисперсный уголь в условиях непрерывного перемещения под определенным давлением, агрегируясь, превращается в монолитную пластическую массу. [5]

Форкамера представляет собой канал, выложенный огнеупором. [6]

Форкамеры были футерованы жаропрочным бетоном и охлаждались проточной водой. Приемная камера для жидкого расплава выполнялась в двух вариантах: в одном была выложена из огнеупоров, в другом имела охлаждаемый водой кессон. [8]

Форкамера имеет шторки, которые открываются только при подаче отжигаемых пластин. [9]

Форкамеры оборудованы провальными решетками. Воздух подается в печь тремя потоками. Обжиговый газ через газоход поступает в футерованный циклон возврата. [10]

Форкамера с металлическими качающимися шторками при изменении высоты загрузки не требует переоборудования, меняется лишь угол наклона шторок при прохождении под ними изделий. [11]

Форкамера проходной печи с газовыми завесами. [12]

Форкамера; 3 — нагревательная камер г, 4 изделие или печной конвейер. [13]

Форкамера служит для выравнивания и успокоения потока. В ней устанавливаются хонейкомб и детурбулизирующие сетки. [14]

Схема установки регулятора уровня ПРУДВ. [15]

Страницы: 1 2 3 4 5

www.ngpedia.ru

Сравнение различных систем

Недостатки двигателей с предкамерой, касающиеся шума, более заметны при работе холодного двигателя. Недостаточное смесеобразование, вызванное не только рассеянием тепла стенками камеры сгорания, приводит к относительно длительному периоду задержки воспламенения и к детонационным шумам при сгорании. При прогреве двигателя двиг атель с вихревой камерой также имеет тенденцию к повышенному шуму в диапазоне низких нагрузок и низких оборотов. Метод с предкамерой, с другой стороны, имеет преимущества, касающиеся температуры камеры и задержки воспламенения.

Главное преимущество системы непосредственного впрыска состоит в уменьшении расхода топлива до 20% по сравнению с двигателями с разделенной камерой сгорания. Недостатками систем непосредственного впрыска являются, однако, повышенный шум при работе (в частности, при разгоне) и ограниченные максимальные обороты. Система с непосредственным впрыском всегда требует повышенных давлений впрыска и, таким образом, более сложной системы впрыска топлива.

Преимуществами системы непосредственного впрыска являются преобладающими для таких условий работы, где решающими являются расход топлива и экономия, а вопросы комфорта играют второстпенную роль. Интенсивные исследования работы в области смесеобразования, которые включают усовершенствование систем впрыска, в скором времени приведут к возможности использования систем с непосредст венным впрыском топлива в двигателях легковых автомобилей.

Водородные топливные элементы

Есть три типа двигателей, использующих водород: одни работают как обычный ДВС, другой тип — газотурбинные, третьи — агрегаты, использующие химическую реакцию водорода. Первый ДВС, работающий на водороде, появился аж в 1806 году, водород в нем сгорал, как обычный бензин. Сегодня количество таких оригинальных движков стремится к нулю — использовать их чертовски накладно. В газотурбинных агрегатах газ сжимается и нагревается, затем выделяемая энергия преобразуется в механическую. В качестве топлива может использоваться практически любое горючее, которое можно диспергировать: от собственно газов (в том числе водород), до твердых носителей.

Но самые интересные из водородных силовых установок — «химические». В марте этого года BMW и Toyota представили кроссовер i Hydrogen NEXT на базе нынешнего X5. Его силовая установка состоит из электродвигателя и литий-ионной батареи, стеков с водородными топливными элементами, химического преобразователя и двух баллонов, в которые под давлением 700 бар закачены шесть килограммов водорода. Стек специальных ячеек, наполненных водородом, конвертирует химическую энергию газа в электричество, которое аккумулируется в батарее, а она в свою очередь питает электромотор. Электрохимический генератор выдает 125 кВт, а общая отдача установки — 275 кВт. Единственным продуктом переработки является водяной пар. В BMW заявляют, что к 2022 году планируют выпустить первую партию водородомобилей.

Проблемы холодного запуска дизелей

Проблема холодного старта на дизеле существовала с момента их производства. Автомобиль, простоявший ночь на морозе запустить утром было сложно. Водители КамАЗов порой, рискуя пожароопасностью, бензиновой лампой (в народе называют «паяльная лампа») открытым высокотемпературным пламенем грели масло в картере и топливные отстойники. После запуска холодный еще двигатель начинал свою работу с повышенным шумом и огромными клубами черного выхлопа отработанных газов. Сложность запуска дизеля в холодное время объясняется с очень низким испарением солярки. Согласно существующим ГОСТам температура замерзания дизельного топлива, а следовательно изменения его вязкости, показателей испарения делится на два вида: — летняя марка топлива, работающая в диапазоне температур от минус 10 до минус 5 градусов; — зимняя, с увеличенным диапазоном от минус 35 до минус 25 градусов.

Своевременный переход на соответствующие марки солярки, в зависимости от климатических условий, обеспечивал надежный удачный запуск.

Большую роль в пуске холодного двигателя сыграла разработанный подогрев воздуха внутри цилиндров свечой накаливания. Это был революционный прогресс в решении проблемы, особенно в холодных областях России.

Принцип работы свечи накаливания очень простой. При включении зажигания на свечи поступает импульсное напряжение, о чем информирует загорающийся на щитке приборов индикатор работы свечей (желтая лампа с символом спирали). Свечи прогреваются и, соответственно начинают воздействовать на молекулы воздуха, ускоряя их движение в цилиндрах двигателя. Процесс прогрева происходит в течение 20-30 секунд, контрольная лампа на панели гаснет и это является сигналом, разрешающим запуск двигателя.

Кроме свечей накаливания, работающие на прогрев воздуха в цилиндрах дизеля, другой тип свечей также разработан в этих целях, но прогрев происходит во впускной системе. Тип таких свечей называется факельным.

Факельная свеча вворачивается в впускной коллектор и через специальный штуцер к ней подводится солярка. На выходе свечи укладывается сетка в несколько слоев (в зависимости от типа свечи), которая смачиваясь соляркой испаряет ее под воздействием электрического накаливания электродов. Пары солярки подхватываются набегающим потоком воздуха, засасывающего поршнями и происходит реакция воспламенения, образующего на свече факел открытого пламени, размером до 30 мм. Факел, созданный накалом свечи и поступающего из атмосферы воздуха, начинает мгновенно прогревать воздух, поступающий в цилиндры двигателя.

При включении зажигания на панели приборов загорается контрольная лампа накаливания свечи. Готовность свечи к поджигу факела сообщает та же контрольная лампа, сменив режим постоянного свечения на мигающий режим.

Сигнализирующая миганием контрольная лампа сообщает водителю о возможности произвести вращение коленчатого вала стартером. При включении стартера автоматически открывается клапан подачи дизельного топлива в свечу и факел разгорается, поднимая температуру воздуха, который в свою очередь распределяется по цилиндрам. После успешного запуска дизеля, факельная свеча продолжает работать, обеспечивая ровный холостой ход и прекращается при заданной температуре двигателя.

Возникают ситуации, когда двигатель не запускается в морозную погоду. Возможными причинами могут быть:

— сильно разряжена аккумуляторная батарея;

— неисправна свеча накаливания или факельная свеча;

— заправлен бак не соответствующим климатическим условиям дизельным топливом;

— подсос воздуха на топливной магистрали;

— подкачивающий топливный насос не обеспечивает необходимое давление;

— неисправность ТНВД;

— низкая компрессия в цилиндрах.

Принцип работы реактивного двигателя

Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре электродвигателя. Крутящий момент создается, когда ротор пытается установить свою наиболее магнито проводящую ось (d-ось) с приложенным полем, для того чтобы минимизировать магнитное сопротивление в магнитной цепи. Амплитуда момента прямо пропорциональна разницы между продольной Ld и поперечной Lq индуктивностями. Следовательно, чем больше разница, тем больше создаваемый момент.

Линии магнитного поля синхронного реактивного электродвигателя

Главная идея может быть объяснена с помощью рисунка представленного ниже. Объект «a» состоящий из анизотропного материала имеет разную проводимость по оси d и оси q, в то время как изотропный магнитный материал объекта «b» имеет одинаковую проводимость во всех направлениях. Магнитное поле, которое прикладывается к анизотропному объекту «a», создает вращающий момент если существует угол между осью d и линиями магнитного поля. Очевидно, что если ось d объекта «a» не совпадает с линиями магнитного поля, объект будет вносить искажения в магнитное поле. При этом направление искаженных магнитных линий будут совпадать с осью q объекта.

Объект с анизотропной геометрией (a) и изотропной геометрией (b) в магнитном поле

Силовые линии магнитного поля вокруг объекта с анизотропной геометрией

В синхронном реактивном электродвигателе магнитное поле создается синусоидально распределенной обмоткой статора. Поле вращается с синхронной скоростью и может считаться синусоидальным.

В такой ситуации всегда будет существовать момент направленный на то, чтобы уменьшить полную потенциальную энергию системы, путем уменьшения искажения поля по оси q (). Если угол сохранять постоянным, например путем контроля магнитного поля, тогда электромагнитная энергия будет непрерывно преобразовываться в механическую.

Ток статора отвечает за намагничивание и за создание момента, который пытается уменьшить искаженность поля. Управление моментом осуществляется путем контроля фазы тока, то есть угла между вектором тока обмоток статора и d-осью ротора во вращающейся системе координат.

Как работает форкамерный двигатель

Системы с предкамерой

Рис. Системы с предкамерой

Принцип действия форкамерного дизельного двигателя

Как вы знаете, сегодня многие производители ищут варианты того, как увеличить экономичность двигателей внутреннего сгорания. Они нашли один из возможных выходов из этого затруднительного положения. Метод заключается в том, чтобы мотор работал на топливных смесях, содержащих меньший процент горючего.

При таком подходе не только удастся увеличить топливную экономичность, но и, более того, сократить выброс вредных отходов. Но в этом способе есть изъян: когда смесь содержит небольшое количество горючего, она хуже воспламеняется.

Поэтому разработчики пришли к выводу, что для стабильной работы мотора нужен начальный очаг горения, от которого распространение огня произойдёт быстро по всему пространству топливно-воздушного заряда.

По итогу сейчас существуют два варианта получения подобного очага: искра повышенной энергии и послойное распределение смеси (к тому времени, как производится искра образуется легковоспламеняющаяся смесь). Второй путь включает в себя несколько вариантов. Мы же сегодня рассмотрим подробнее вариант под названием форкамерно-факельное зажигание.

Полость, находящаяся в голове цилиндров двигателя внутреннего сгорания, именуется форкамерой, или же предкамерой. Она, используя один или несколько каналов, соединяется с главной камерой сгорания горючего. Этот тип мотора выступает как в формате дизельного, так и бензинового. Вообще промежуточная камера может носить и другое название: вихрекамера.

Исходя из названия, нам становится ясным то, что топливо в такой камере закручивается. Этот эффект содействует лучшему перемешиванию горючего с воздухом.

Но, описывая работу ДВС с форкамерой, важно отметить, что изначально горючее, попадая в предварительную полость, сталкивается с её стеночками и перемешивается с воздухом, в этом этот вид мотора уступает своему подобию.

Воспламеняясь, топливо быстро направляется в ключевую камеру, используя уже известные нам каналы соединения. Отличным фактором, которым обладают такие каналы, в сравнении со своими аналогами, выступает то, что сечения в них согласованы так, чтобы между форкамерой и ключевым цилиндром создавалась существенная разница давлений. Топливо разливается по всей площади предкамеры и сгорает там почти полностью. Заключительная фаза — это сгорание горючего в главной камере, точнее сказать его остатков.

Из-за того, что в главном отсеке солярка уже догорает и ей уже не нужно продолжать свой путь, параметры углублений в поршнях небольшие.

Для чего нужна форкамера в двигателе

Теперь разберемся в самом главном вопросе: для чего же нужна форкамера в двигателе?

Первостепенно такая система была создана с той целью, чтобы убрать, пусть и частично, нагрузку на поршни. Это же, в свою очередь, положительно сказалось на общей работе мотора. Более того, выбирая форкамерный двигатель, вы сокращаете количество токсичных отходов, так как, говоря конкретно о нашем случае, солярка полностью сгорает. Делаем из этого вывод — ваши расходы на горючее уменьшатся.

Система форкамерно-факельного зажигания

Основными элементами, составляющими дизельный двигатель с форкамерой, являются:

Система с вихревой предкамерой

Рис. Система с вихревой предкамерой

Плюсы и минусы предкамерных агрегатов

С одной стороны, изменение конструкции двигателя с внедрением форкамеры не нашли широкого применения из-за значительного усложнения конструкции двигателя.

Хотя экологичность таких двигателей была выше, да и расход топлива меньше, они имели меньший ресурс эксплуатации, чем обычные ДВС.

Для дизельного двигателя форкамера подходит лучше. Она снижаем сильную задымленность из выхлопной трубы. К тому же форкамерные дизели способны работать на некачественном дизельном топливе.

Основной минус форкамерных двигателей — это трудный запуск мотора на холодную. Если нагревать предкамеру, то такой двигатель заводится без проблем.

Видео

ГБЦ форкамерных двигателей.

Форкамера Мерседес ОМ 601-603.

Как заменить форкамеры.

Автор публикации

не в сети 3 недели

Системы с непосредственным впрыском (VI)

Рис. Системы с непосредственным впрыском

На практике для непосредственного впрыска используются два метода:

образование смеси с помощью контролируемого движения воздуха;
образование смеси почти исключительно с помощью впрыска топлива без контролируемого движения воздуха.

Во втором случае завихрение воздуха не включается в работу. Это становится заметным в форме уменьшения потерь в цикле подачи топлива и улучшения наполнения цилиндра. В тоже время к оборудованию для впрыска топлива предъявляются более высокие требования относительно расположения и количества отверстий форсунки, качества распыления путем малых диаметров отверстий для распыления и очень высокого давления впрыска, необходимого для достижения требуемой краткой продолжительности впрыска.

Система форкамерно-факельного зажигания

Основными элементами, составляющими дизельный двигатель с форкамерой, являются:

Примечание: мы будем проходить путь вместе с топливом для того, чтобы полностью понять принцип работы форкамерного двигателя.

Канал ведёт солярку в предкамеру.
Затем проходит секция, предназначенная для переобогащённой смеси.
Клапан самой форкамеры.
Свеча зажигания выполняет свою основную роль (поджог топлива, когда форсунки его впрыскивают).
Одновременно с тем, как от искры загорелось горючее, распредел ГРМ впускает в главную камеру топливо, посредством того, что открывает клапан.
Теперь горючее на финишной прямой — в центральной камере ДВС.

Сейчас, мы надеемся, вам стало ясно, как работает форкамерный дизель и из чего состоит устройство форкамеры.

Система непосредственного смешивания топлива с распределением по стенкам (М — система)

Рис. Система непосредственного смешивания топлива с распределением по стенкам

Сравнение различных систем

Преимуществами системы непосредственного впрыска являются преобладающими для таких условий работы, где решающими являются расход топлива и экономия, а вопросы комфорта играют второстпенную роль. Интенсивные исследования работы в области смесеобразования, которые включают усовершенствование систем впрыска, в скором времени приведут к возможности использования систем с непосредственным впрыском топлива в двигателях легковых автомобилей.

Tags: Двигатель, Дизельное топливо

Вперед Процессы наддува

Все записи

Назад Дополнительные пусковые устройства для дизельных двигателей (вспомогательные детали)

Востребованность форкамер

Мнение эксперта

Никоноров Владимир Алексеевич

Наш эксперт. Специалист в области кондиционирования и вентиляции с 10-летним стажем.

Задать вопрос

Отличная статья 0

Еще больше интересного:

Форкамера не прижилась — Автоцентр.ua

На рынке предложили «Волгу» с форкамерно-факельным зажиганием. Что это за система?

На рынке предложили «Волгу» с форкамерно-факельным зажиганием. Что это за система?

Владислав О., г. Одесса

Конструктивная особенность форкамерно-факельной системы зажигания заключается в том, что камеру сгорания разделили на две части – основную и так называемую форкамеру. Богатая смесь по отдельному каналу во впускном коллекторе и головке блока от своей секции карбюратора через свой же впускной клапан поступает в форкамеру, где с помощью свечи поджигается. Одновременно в основную камеру через впускной клапан, приводимый от общего коромысла, подается обедненная топливо-воздушная смесь. Так как форкамера соединена с основной камерой сгорания сопловыми каналами, то через них с большой скоростью выбрасывается пламя, которое поджигает обедненную смесь основной части камеры. Данная конструкция – попытка «газовцев» снизить расход топлива и токсичность отработавших газов. Чего же добились конструкторы? По заверениям «ГАЗа», расход топлива был снижен на 10–15%, а выброс вредных веществ – на 20–75%. В то «довпрысковое» время для прожорливой и архаичной по конструкции «Волги» это действительно было неплохо.


Некоторая сложность конструкции и малая ее отдача в реальной жизни стали причиной отказа от форкамерно-факельного зажигания.	Форкамерно-факельная система зажигания

Форкамерно-факельную (или предкамерно-факельную) систему зажигания пытались внедрить на советские машины достаточно давно. Вспомним хотя бы не ставший серийным полноприводный грузовик ГАЗ-62 или мотор ГАЗ-51Ф, который так и не появился под капотом ГАЗ-52. Единственной удачной попыткой стал двигатель ЗМЗ-4022-10 автомобиля «Волга» ГАЗ-3102, выпуск которого начался в 1982 году. Он, по сути, был модификацией агрегата ЗМЗ-402 машины ГАЗ-2410. Разница лишь в узлах и деталях, непосредственно связанных с форкамерно-факельной системой зажигания. В частности, это другая головка блока цилиндров с дополнительными форкамерами, направляющими впускных клапанов форкамер и каналами подачи горючей смеси к форкамерам. Изменилась система газораспределения: внедрены клапаны форкамер и другие коромысла привода впускных клапанов с бобышкой и винтом привода клапана форкамеры. Установлены конструктивно новый карбюратор К-156 с дополнительной форкамерной секцией и впускной коллектор с допканалами форкамерной части.

Подготовили Юрий Дацык, Руслан Храпак, Олег Полажинец

Камера предварительного сгорания

, имеющая патенты особой формы и патентные заявки (класс 123/285)

Номер патента: 8813716

Резюме: Наконечник камеры предварительного сгорания для двигателя внутреннего сгорания, имеющий первую часть корпуса с камерой предварительного сгорания, расположенную внутри, первая часть корпуса имеет оконечный конец с множеством отверстий, выполненных с возможностью направления расширяющихся газов из камера предварительного сгорания и вторая корпусная часть, прикрепленная к первой корпусной части, вторая корпусная часть, имеющая внешнюю поверхность, отверстие для охлаждающей жидкости, сформированное на внешней поверхности, канал для охлаждающей жидкости, сообщающийся по текучей среде с отверстием для охлаждающей жидкости, и гребень, связанный с отверстием для охлаждающей текучей среды, гребень проходит от внешней поверхности и выполнен с возможностью отвода потока охлаждающей текучей среды в отверстие для охлаждающей текучей среды и канал для охлаждающей текучей среды.

Тип:
Грант

Подано:
22 июня 2011 г.

Дата патента:
26 августа 2014 г.

Цессионарий:
Компания Caterpillar Motoren GmbH & Co.КГ

Изобретателей:

Хендрик Херольд, Ульрих Холст, Франк Витт, Эйке Иоахим Сиксель

(PDF) Исследование влияния конструкции форкамеры на детонацию морского низкоскоростного двухтопливного двигателя

Конгресс CIMAC 2019, Ванкувер Page 3

1 ВВЕДЕНИЕ

С увеличением экологической опасности судов

Выбросы выхлопных газов и ужесточение правил

IMO по выбросам, глобальный спрос на чистое топливо

стал более заметным для судоходной отрасли

[1].Природный газ, как чистый источник энергии

, имеет преимущества более высокой теплотворной способности

и более низкой цены, что делает судовые двухтактные тихоходные газовые двигатели

, которые используют его в качестве топлива

, значительно экономичнее [2] . Однако

трудно зажечь природный газ путем сжатия

непосредственно из-за его высокой температуры воспламенения,

, что означает, что для его зажигания требуется внешний источник энергии, такой как

, например свеча зажигания или пилотное дизельное топливо

[ 3].

В судовом двухтопливном двигателе низкого давления

используется технология впрыска под низким давлением, при которой природный газ

впрыскивается в цилиндр под низким давлением —

после закрытия продувочного отверстия. И

, когда поршень достигает верхней мертвой точки

(ВМТ), небольшое количество дизельного топлива распыляется в форкамеру

, которая используется для воспламенения газо-воздушной смеси

. Кроме того, в этом двигателе используется принцип цикла Отто

для снижения пикового давления и температуры сгорания в цилиндрах

, что приводит к снижению выбросов NOx

[4].Высокоэффективное сгорание на обедненной смеси

, высокое среднее эффективное давление, высокий КПД

и низкие выбросы NOx являются основными преимуществами двигателя

В настоящее время судовой двухтопливный двигатель низкого давления

представлен двигателем WinGD RT-Flex50DF

. Обеспечивая эффективность сгорания

, сравнимую с эффективностью сгорания дизельного двигателя, стандарт выбросов IMO

Tier III может быть соблюден без использования устройств дополнительной очистки

.Двухтопливный двигатель

может работать на различных видах топлива, таких как

HFO / LFO / LNG / LEG, и может легко переключать

между газовым и дизельным режимами на

для обеспечения плавной работы в полностью рабочих условиях

[5, 8].

Судовой двухтопливный двигатель низкого давления

специализируется на основных процессах очистки

, образования горючей смеси, зажигания

и распространения пламени [6].Из-за более высокой энергии активации природного газа на

ламинарная скорость распространения пламени

ниже, а максимальная скорость распространения пламени

составляет всего около

2/3 от скорости распространения бензин-воздушной смеси. Кроме того, у

есть определенная трудность в сильном вихревом токе

в цилиндре в крупнокалиберном судовом двигателе

, а из-за низкой скорости и больших расстояний распространения пламени

смесь предварительно смешанного топлива

склонны к самовозгоранию.Кроме того, нагрузка

и максимальный выходной крутящий момент двухтопливных двигателей низкого давления

ограничиваются при детонации

. Аномальный механизм сгорания

и исследование контроля являются одной из основных задач в исследованиях и разработках судовых двухтопливных двигателей низкого давления

Факторы, влияющие на детонацию двухтопливного двухтопливного двигателя низкого давления

, очень сложны.Конструктивные характеристики двигателей

, время впрыска топлива, коэффициент избытка воздуха

, охлаждение гильзы цилиндра и смазочное масло

могут вызвать нестабильность сгорания [7]. Начиная с

с точки зрения конструкции камеры предварительного сгорания

(PCC), GT-power и программное обеспечение Converge

выбраны для разработки эффективной 1-D и 3-D имитационной модели

морского судна низкого давления. сдвоенный — двигатель

соответственно.Влияние PCC

на характеристики и детонацию 2-тактного двухтопливного двигателя низкого давления

было исследовано

с трех аспектов: структура PCC, диаметр канала PCC

и угол канала.

2 ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ CFD

2.1 Основные параметры двигателя

В данном исследовании 2-тактный двигатель WinGD RT-Flex50DF

используется для исследования характеристик низкооборотного двухтопливного двигателя

.Двигатель RT-Flex50DF

показан на рисунке 1, а его размеры

указаны в таблице 1 [8].

Таблица1. Размеры двигателя WinGD RT-Flex50DF

Бумага № 050

Frontiers | CFD-оптимизация геометрии предкамеры бензинового двигателя с искровым зажиганием

Введение

Турбулентное струйное зажигание (TJI) (Attard et al., 2010; Toulson et al., 2010; Alvarez et al., 2018) является одним из многообещающих технология, которая обеспечивает сверхбедное сжигание с высокой энергоэффективностью и низким уровнем выбросов.В системе TJI используется предварительная камера, в которой размещается свеча зажигания и, возможно, топливно-воздушные форсунки, которые уже используются в двигателях с искровым зажиганием на природном газе (Mastorakos et al., 2017). В общем, стехиометрическая топливно-воздушная смесь может подаваться в форкамеру для обеспечения успешного воспламенения, в то время как основная камера может вмещать достаточно бедную смесь для значительного повышения термического КПД. Для активной конструкции форкамеры, где установлены как топливные, так и воздушные форсунки, для форкамеры может быть подготовлена точная топливно-воздушная смесь без рециркуляции отработавших газов.Недостатком этого варианта активной форкамеры является то, что требуется дополнительная топливная система, что увеличивает стоимость и сложность управления, упаковки и охлаждения. В случае пассивной форкамеры топливный инжектор не устанавливается внутри форкамеры, так что топливно-воздушная смесь должна полагаться на естественную продувку во время такта впуска, чтобы попасть в форкамеру. Следовательно, конструкция пассивной форкамеры затрудняет точную подготовку заряда внутри форкамеры, что может привести к более серьезной нестабильности горения и большей вероятности пропуска зажигания.В обоих вариантах топливно-воздушная смесь в форкамеру воспламеняется свечой зажигания. Температура и давление внутри форкамеры быстро повышаются. Следовательно, большая разница давлений между форкамерой и основной камерой вытесняет горячие продукты сгорания из небольших отверстий на конце форкамеры, образуя горячую турбулентную струю, воспламеняющую сжатый обедненный заряд в основной камере сгорания. Горение, вызванное этой горячей реагирующей турбулентной струей, происходит намного быстрее из-за пространственно распределенных фронтов пламени (Attard et al., 2010). Меньше тепла передается деталям двигателя из-за быстрого сгорания и бедной смеси. По сравнению с обычными двигателями SI, которые работают в стехиометрических условиях и ограничены детонацией двигателя, бедная смесь в основной камере не имеет детонации в большинстве условий и, следовательно, допускает гораздо более высокую степень сжатия. Кроме того, относительно низкая температура сгорания в обедненной основной камере значительно снижает выбросы NOx и твердых частиц (PM).

TJI был тщательно исследован как экспериментально, так и численно.Тулсон и его сотрудники провели серию фундаментальных исследований TJI, используя оптическую машину быстрого сжатия (RCM). Тулсон и др. (2012) сравнили обычное искровое зажигание и TJI в оптическом одноцилиндровом двигателе и продемонстрировали, что TJI обеспечивает более быстрое сгорание из-за множества широко распределенных мест воспламенения. Gentz et al. (2015) исследовали влияние размера отверстия на TJI в машине быстрого сжатия (RCM). Было обнаружено, что при почти стехиометрическом соотношении воздуха к топливу большое сопло, которое производит более распределенные в пространстве струи, приведет к более быстрому развитию горения.Однако в более бедных условиях для инициирования горения требуется сопло меньшего диаметра, которое производит более быструю и мощную струю. Генц и Тулсон (2016) далее сравнили активную и пассивную заправку топливом в TJI. При пассивной заправке одно сопло имеет лучшие характеристики, чем двойное сопло с той же площадью поперечного сечения. Карими и др. (2014) провели экспериментальный и расчетный анализ воспламенения горячей струи в камере сгорания. Горячая струя характеризуется тремя различными струями: пристенной струей, струей, падающей на стенку, и свободной струей.Ли и др. (2019) провели экспериментальное исследование TJI в RCM и одноцилиндровом двигателе. Исследование показало, что существует две модели воспламенения в предварительных камерах в зависимости от диаметра отверстий: схема воспламенения пламени с большим диаметром отверстия и схема самовоспламенения с отверстием меньшего размера. Biswas et al. (2016) выявили два механизма зажигания в основной камере: струйное зажигание и пламенное зажигание. Бисвас и Цяо (2016) провели экспериментальное исследование воспламенения ультра-обедненных предварительно смешанных смесей h3 / воздух горячей струей, выпущенной из форкамеры, со стехиометрической смесью, визуализированной с использованием одновременной высокоскоростной шлирен-фотографии и хемилюминесценции OH *.Сравниваются три геометрии сопла (прямая, сходящаяся и сходящаяся-расходящаяся). Наблюдались алмазные ударные структуры в сверхзвуковых струях и высокотемпературная зона за ударными волнами, что может снизить предел воспламеняемости в основной камере. Нестабильность горения становится заметной вблизи предельных условий обедненной смеси. Бисвас и Цяо (2018) дополнительно исследовали влияние местоположения искры и соотношения эквивалентности в предкамере на характер воспламенения в основной камере. Эффективное соотношение, описывающее местоположение искры, определяет динамику пламени в форкамеру.Bolla et al. (2019) смоделировали продуманную форкамеру автомобильного размера, установленную в головной части машины быстрого сжатия-расширения, с использованием RANS и LES. Показано, что наклонное сопло отверстия форкамеры создает вихревой поток внутри форкамеры. Benekos et al. (2020) провели 2D DNS-исследование процесса воспламенения в основной камере. Численно исследовано влияние теплового граничного условия стенки, начальной температуры смеси и отношения эквивалентности в основной камере.Было обнаружено, что горячая струя из форкамеры может быть разбита на мелкие ядра в холодном состоянии основной камеры или образует пламенный факел в горячем состоянии. Muller et al. (2018) исследовали механизм зажигания в основной камере. Было обнаружено, что для процесса воспламенения, вызванного горячей струей, важны как кинетические, так и тепловые эффекты. Наблюдаются сильные корреляции между гидродинамикой, перемешиванием и горением. Ахтар и др. (2017) исследовали влияние геометрии отверстия на работу предкамеры с использованием изображений Шлирена.Рассмотрены круглые и щелевые формы с одинаковой площадью поперечного сечения. Было обнаружено, что щелевидная форкамера может ускорять распространение пламени на ранних стадиях. Freeman et al. (2020) разработали новую конструкцию форкамеры с помощью 3D CFD горения. Результаты CFD показывают, что двигатель SI с предварительной камерой имеет хорошие улучшения по сравнению с обычным бензиновым двигателем SI, особенно в отношении экономии топлива. Исходя из разницы давлений между основной камерой и форкамерой, процесс газообмена между ними можно описать четырехступенчатым процессом.Shah et al. (2015) экспериментально исследовали влияние объема форкамеры и диаметра сопла на результирующие характеристики зажигания. Было обнаружено, что более крупная форкамера обеспечивает более высокую энергию зажигания, что приводит к сокращению угла развития пламени и продолжительности горения. При заданном объеме форкамеры диаметр сопла в основном влияет на продолжительность горения. Hlaing et al. (2020) раскрывает двухступенчатый механизм сгорания в основной камере, причем последняя стадия, как считается, способствует массовому воспламенению заряда основной камеры.Тепловыделение предкамеры коррелирует с прочностью смеси предкамеры, которая влияет на фазирование сгорания предкамеры и начальное тепловыделение в основной камере. Tang et al. (2020) использовали одновременную отрицательную хемилюминесценцию PLIF и OH для визуализации процесса газообмена и струи пламени из сопел форкамеры, что показало, что длина проникновения струи пламени намного короче, чем у струи форкамеры. Предлагается трехступенчатый газообменный процесс.Когда коэффициент эквивалентности предкамеры увеличивается от бедного до слегка обогащенного, разница давлений между основной камерой и предкамерой, момент зажигания и момент пикового перепада давления сначала увеличиваются, а затем достигают плато. Kim et al. (2019) сравнили модели турбулентного горения (многозонный реактор с хорошим перемешиванием и G-уравнение) для предкамерного зажигания. Модель G-уравнения дает лучшие прогнозы, чем модель реактора с хорошим перемешиванием. Сверху, хотя были проведены обширные вычислительные и экспериментальные работы для понимания и прогнозирования искрового зажигания в предкамере, конструкция предкамеры все еще в значительной степени основана на опыте, и отсутствует общая стратегия, которая могла бы обеспечить руководство к оптимальному воспламенению. дизайн.Zhang et al. (2020) провели комплексный 3D CFD-анализ легкового бензинового двигателя с пассивной форкамерой. Предложена трехфазная феноменологическая модель для описания воспламенения пламени при форкамерном струйном горении. Предварительная камера с вихревыми соплами создает организованное и повторяемое вихревое движение, которое может быть полезно для горения. Угол и ориентация зонта форсунки форкамеры могут быть дополнительно оптимизированы для данной системы сгорания для достижения снижения тепловых потерь сгорания.Hua et al. (2021) сравнили четыре конструкции форкамеры, пассивную и активную заправку топливом при испытаниях двигателей. Они обнаружили, что объем и количество форсунок являются двумя ключевыми параметрами для оптимизации конструкции форкамеры. Предварительная камера с меньшим объемом имеет лучший IMEP и экономию топлива из-за меньшего тепловыделения и потерь при сгорании в форкамере. Изученная форкамера с одним отверстием генерирует более сильную горячую струю, чем форкамеры с семью отверстиями, что эффективно улучшает скорость горения и расширяет предел сжигания обедненной смеси.

С точки зрения производства и проектирования механических компонентов компания MAHLE Powertrain является ведущим разработчиком технологии TJI для трансмиссии легковых автомобилей. Attard et al. (2010) продемонстрировали на одном одноцилиндровом двигателе, что TJI может выдерживать до 54% массовой доли разбавителя, что приводит к увеличению экономии топлива на 18%. Аттард и Парсон (2010) показали, что тип свечи зажигания, ориентация и межэлектродный зазор практически не влияют на горение при струйном зажигании. Они пришли к выводу, что это частично связано с тем, что искровой разряд в форкамере занимает гораздо большую часть камеры по сравнению с обычным искровым зажиганием.Они также обнаружили, что наибольший эффект имеет вылет свечи зажигания, что не очень важно для обычных двигателей SI.

В сочетании с генетическим алгоритмом CFD 3D сгорания широко используется при разработке двигателей (Shi et al., 2011). Ge et al. (2009) и Ge et al. (2010) разработали автоматизированные процессы расчета для оптимизации топливной системы, корпуса поршня и коэффициента завихрения. Ge et al. (2010) разработали метод оптимизации, который одновременно оптимизирует несколько рабочих условий путем разделения проектных параметров на параметры оборудования и рабочие параметры.Ge et al. (2011) и Ли и др. (2012) объединили законы масштабирования с методом оптимизации в (Ge et al., 2010) для оптимизации сгорания двигателя. Методы машинного обучения применялись во многих областях сгорания двигателей. Moiz et al. (2018) объединили машинное обучение с генетическим алгоритмом и 3D CFD для оптимизации сгорания двигателя. Метод был применен к большегрузному дизельному двигателю. Kodavasal et al. (2018) использовали методы машинного обучения для анализа контролирующего фактора межцикловых изменений в бензиновом двигателе с искровым зажиганием.Probst et al. (2019) использовали два метода машинного обучения (гауссовский процесс и SuperLearner) для прогнозирования сгорания двигателя. Сравнивались разные методы оптимизации. Были рекомендованы оптимизация роя частиц, дифференциальная эволюция, алгоритм GENOUD и микрогенетический алгоритм (GA). Бадра и др. (2020) оптимизировали систему сгорания бензинового двигателя с воспламенением от сжатия, используя CFD и алгоритм градиента сетки машинного обучения. Shah et al. (2019) использовали методы машинного обучения для прогнозирования задержки воспламенения, скорости пламени, октанового числа и фазы сгорания многокомпонентных заменителей бензина в двигателях с воспламенением от сжатия с однородным зарядом.

Конструкция форкамеры является наиболее важным компонентом двигателей этого типа, и это остается проблемой. В литературе обычно исследуется влияние одного или нескольких проектных параметров на характеристики двигателя. Однако систематическое изучение геометрии форкамеры отсутствует. В данной статье описывается автоматизированный метод оптимизации для проектирования форкамеры с использованием трехмерной CFD-модели горения. DOE, GA, машинное обучение сочетается с 3D CFD сгорания для оптимизации конструкции форкамеры двигателя с искровым зажиганием.Сравниваются разные модели машинного обучения. Оптимальная конструкция сравнивается с усредненной конструкцией и неудачной конструкцией, чтобы понять, как параметры конструкции физически влияют на характеристики двигателя.

Конфигурации двигателя и численные методы

Был смоделирован двигатель с искровым зажиганием с трехмерным впрыском топлива (PFI), который является одним из примеров CONVERGE. В таблице 1 перечислены параметры конфигурации двигателя. Для всех случаев коэффициент глобальной эквивалентности установлен на единицу.В оригинальном двигателе свеча зажигания установлена в центре головки блока цилиндров. В настоящей работе свеча зажигания заменяется системой TJI (см. Рис. 1), нижняя часть которой имеет размер, как свечу зажигания. Таким образом, вся форкамера может быть установлена непосредственно на двигатель SI без необходимости изготовления новой головки блока цилиндров. Было проведено моделирование полного цикла для всех вариантов двигателя, то есть начиная с EVO (открытие выпускного клапана, которое составляет -579,8 ° ВМТ) до EVO (140,2 ° ВМТ). Смоделирован процесс газообмена.В IVC (закрытие впускного клапана) массовая доля CO2 и h3O во всей камере (включая основную и форкамерную) составляет 1,83%, что эквивалентно примерно 5,4% EGR.

ТАБЛИЦА 1 . Конфигурации двигателя.

РИСУНОК 1 . Поверхность одного форкамерного двигателя СИ.

В данной статье для моделирования двигателя использовалось коммерческое программное обеспечение CFD CONVERGE (Richards et al., 2017), основанное на методе конечных объемов. В таблице 2 перечислены основные модели, использованные в настоящем моделировании.Адаптивное уточнение сетки (AMR) и фиксированное встраивание использовались для баланса эффективности и точности. Использовалась модель реальной жидкости — уравнение состояния Редвича – Квонга. Модель сгорания SAGE с механизмом PRF (Liu et al., 2012) использовалась для всех имитационных моделей двигателей SI, в которых топливо представляет собой газообразный бензин. Для моделирования машины быстрого сжатия топливо — метан. Использовалась модель горения SAGE с механизмом GRI 3.0. Модель горения SAGE рассматривает каждую вычислительную ячейку как реактор с идеальным перемешиванием, т.е.е., нет явных моделей турбулентного химического взаимодействия (TCI). Недавно Dahms et al. (2019) провели асимптотический анализ, который показал, что в многозонной модели SAGE присутствует неявный TCI. Неявный TCI означает, что производительность модели горения зависит от размера сетки, числового и т. Д. TCI может быть полностью восстановлен моделью SAGE, когда размер сетки и временной шаг приближаются к размеру DNS. Хотя текущий размер сетки и временной шаг недостаточно малы для полного восстановления TCI, локальное измельчение сетки вблизи фронта пламени может в значительной степени восстановить TCI.Кроме того, эффекты турбулентности учитываются посредством турбулентной диффузии, посредством которой TKE влияет на процессы смешения энергии, частиц и количества движения. Таким образом, определенный уровень влияния турбулентности на процесс горения был захвачен настоящим моделированием. Во всех симуляциях горения используется нестационарный RANS с k – ε моделью RNG (Han and Reitz, 1995). Предполагалась постоянная диффузионная способность с турбулентным числом Прандтля 0,9 и турбулентным числом Шмидта 0,78.В форкамеру не учитывалась геометрия свечи зажигания. И в обычном двигателе SI, и в форкамере искровое зажигание моделировалось с использованием точечного источника. Базовый размер ячейки установлен на 4 мм. К AMR было применено трехуровневое встраивание на основе температуры и скорости. Граница предкамеры была доведена до 0,5 мм с использованием фиксированной заделки. Пятиуровневая и трехуровневая фиксированная заливка использовалась для сопловой и ближней сопловой областей течения струи соответственно. AMR уровня три активируется как градиентом температуры, так и градиентом скорости.

ТАБЛИЦА 2 . Вычислительные модели.

Модель стены Launder and Spalding (Launder and Spalding, 1974) используется для обработки границ твердых стен. Температура поршня, гильзы, головки цилиндров, предкамеры, дна выпускного клапана, штока выпускного клапана, выпускного канала, впускного канала, дна впускного клапана и штока впускного клапана установлена на 450, 400, 400, 450, 525, 425. , 400, 300, 480 и 350 К соответственно. На входе во впускной канал устанавливается давление 1 атм и устанавливается идеальная стехиометрическая смесь газообразного бензина и воздуха.Давление на выходе из выхлопного отверстия также установлено на 1 атм. Обратный поток с температурой 610 K и смесью N2 (71,9% по массе), CO2 (19,2%) и h3O (8,9%) подается на выход из выпускного отверстия. В начале моделирования (-579,8 ° ATDC, что соответствует EVO) предполагается, что смеси в основной камере и предкамеру состоят из N2 (71,9% по массе), CO2 (19,2%) и h3O (8,9%). ). Путем моделирования всего цикла покрывается процесс продувки основной камеры и предварительной камеры. Прогнозируемые остатки в основной камере и форкамере более надежны.Та же численная модель была использована для моделирования случая TJI с одним соплом MSU, который успешно воспроизвел изображения в цилиндрах и усредненный график давления в основной камере, которые будут представлены в следующем разделе. Это означает, что настоящая численная модель и сетка способны воспроизвести процессы воспламенения и горения в форкамере и основной камере. На рис. 1 показана поверхность одного форкамерного двигателя СИ. Впускные и выпускные порты расположены с двух сторон в направлении x , т.е.Т.е. двигатель примерно симметричен плоскости y ( y = 0). На рис. 2 показана типичная сетка предкамерного двигателя SI при –2,5 ° ВМТ. Из-за дополнительного объема форкамеры степень сжатия форкамерного двигателя SI снижена с 10,0 для базового двигателя. Для упрощения впрыск топлива не учитывается. Предполагается, что всасываемая топливно-воздушная смесь идеально перемешана.

РИСУНОК 2 . Расчетная сетка одного случая при −2,5 ° ВМТ.

Предварительная камера имеет 6 отверстий.Размер отверстия и нормальное направление среза сопла фиксированы. В настоящем исследовании оптимизирована только геометрия над соплом. Принята осесимметричная форма верхней части форкамеры, расположенной над сопловой частью. Таким образом, геометрия верхней части может быть упрощена до симметричного 2D профиля. Затем полу-профиль параметризуется и аналитически описывается с использованием 11 проектных параметров. На рисунке 3 (слева) показан эскиз примерной конструкции с 11 расчетными параметрами. Точка А закреплена и соединяется с сопловой частью форкамеры.Точки B, C, D и E гибкие. Точка B имеет ту же радиальную координату, что и точка A, т.е. часть AB вертикальна. Вертикальная координата точки B определяется расчетным параметром «bz». Точки C и D имеют одинаковые радиальные координаты, что определяется расчетным параметром «cr». Их вертикальные координаты определяются буквами «cz» и «dz». Координаты точки E определяются расчетным параметром «er» и «ez». Радиус верхней части предкамеры установлен больше, чем размер свечи зажигания, чтобы гарантировать, что обычная свеча зажигания может быть установлена в предкамеру.Таким образом, радиальная координата точки E имеет минимальное значение. Расчетный параметр «xde» используется для определения кривизны DE. Расчетные параметры «gz», «hz» и «θ» используются для определения кривой между точками B и C. Таблица 3 перечисляет диапазон этих 11 проектных параметров. Кривые Безье нанесены на угол, чтобы обеспечить плавные переходы. Параметры «bz», «dz», «gz», «hz» и «θ» физически находятся в пределах [0,1]. За исключением тета, все установлены на [0,01, 0,99], чтобы избежать потенциальной проблемы сингулярности. Для «θ» диапазон [0.2, 0.8] выбрана, чтобы избежать слишком острых углов для кривой BC. Минимальное значение параметра «er» указывает на радиальный размер обычной свечи зажигания, то есть предварительная камера должна быть, по крайней мере, достаточно большой, чтобы вместить свечу зажигания. Его максимальное значение установлено на 1,8 в зависимости от опыта. Параметр «cr» указывает отношение радиуса в точке C и точке E, и поэтому он больше 1. Его минимальное значение установлено на 1,02, чтобы оставить достаточно места для кривой DE. Его максимальное значение установлено на 1,2 в зависимости от опыта.Минимальное значение параметра «ez» указывает минимальную высоту для размещения обычной свечи зажигания. Его максимальное значение установлено на 3,0 в зависимости от опыта. Параметр «cz» является нормированным параметром, описывающим высоту точки C. Его минимальное значение ограничено ее расстоянием до головки блока цилиндров, т.е. чтобы избежать пересечения с головкой блока цилиндров и сохранить достаточную толщину стенки форкамеры. Его максимальное значение установлено на 2,0, исходя из опыта авторов. Параметры кривизны «xbc» и «xde» имеют неотрицательные значения: 0 для прямой линии и 1 для круговой кривой.Для них заданы диапазоны [0,1, 2,0], чтобы охватить разумное разнообразие кривизны. На рисунке 3 (справа) показаны три примера дизайна. Черная сплошная линия обозначает дизайн со всеми минимальными параметрами. Красная пунктирная линия обозначает проект со всеми средними параметрами (это конструкция DOE56 в разделе «Анализ горения оптимальной конструкции»). Синяя пунктирная линия указывает на все максимальные параметры.

РИСУНОК 3 . Слева: расчетные параметры форкамеры. Справа: проект со всеми минимальными параметрами (черная сплошная линия), всеми средними параметрами (красная пунктирная линия) и всеми максимальными параметрами (синяя пунктирная линия).

ТАБЛИЦА 3 . Диапазоны расчетных параметров форкамеры.

На рисунке 4 показана схема метода оптимизации, основанного на байесовской стратегии обновления (Enright and Frangopol, 1999). Байесовская стратегия обновления — это подход, основанный на обучении на практике, в котором теорема Байеса используется для обновления вероятности гипотезы по мере появления новых свидетельств или информации. В настоящем приложении модуль машинного обучения обновляется, когда становятся доступны другие результаты CFD.Оптимизация начинается с DOE (плана эксперимента) всех проектных параметров. В настоящей работе размер DOE установлен на 56, что представляет собой матрицу DOE небольшого размера с 11 проектными параметрами. Матрица DOE генерируется с использованием метода выборки латинского гиперкуба в Matlab. Все конструкции в этом DOE смоделированы с помощью 3D CFD горения. Эти результаты CFD образуют первую базу данных, которая используется в модуле машинного обучения (ML) для обучения данных. Таким образом, модуль ML может заменить 3D CFD горения в процессе оптимизации.Затем для оптимизации используется генетический алгоритм (GA) в сочетании с обученным модулем ML, который порекомендует один «оптимальный» дизайн (ы). «Оптимальный» дизайн (ы) дополнительно подтвержден в 3D CFD горения. Таким образом, роль подхода ML + GA заключается в том, чтобы предложить потенциально хорошие планы вместо точного прогнозирования объективного CA50. Все конструкции, предложенные подходом ML + GA, будут дополнительно подтверждены моделированием 3D CFD. Другими словами, мы судим об алгоритме машинного обучения на основе того, какой дизайн он предложил, а не на основе предсказанного CA50.Преимущество ML заключается в сокращении общего количества дорогостоящих вычислений 3D CFD-моделирования. Таким образом, ML не обязательно должен быть инструментом количественного прогнозирования. Вместо этого качественное прогнозирование результатов CFD с помощью ML будет достаточно и на самом деле более важно, чем количественное прогнозирование. Результаты этих «оптимальных» схем добавляются в базу данных для дальнейшего повышения точности модуля ML. По сравнению с случаями 3D-горения CFD, которые обычно занимают около 20 часов с использованием 72 ядер, время вычислений для варианта GA + ML составляет всего около нескольких минут с использованием ноутбука, что совершенно незначительно.Таким образом, этот метод значительно снижает вычислительные затраты за счет замены 3D CFD горения на модуль ML при оптимизации. Модуль ML также помогает сузить оптимальную область во всем пространстве проектирования и сокращает общее количество запусков 3D CFD горения. Подход байесовского обновления сокращает общее количество итераций. Учитывая природу ГА, окончательный «оптимальный» дизайн — это лучший дизайн среди всех рассмотренных проектов, а не точный оптимум во всем пространстве дизайна (Shi et al., 2011).

РИСУНОК 4 . Набросок метода оптимизации байесовского обновления.

Результаты и обсуждение

Проверка модели

Трехмерная CFD-модель сгорания проверена в одном случае MSU RCM с форкамерой, которая работает в условиях, аналогичных двигателю (Gholamisheeri et al., 2017). При этом диаметр сопла 3,0 мм и λ = 1,25. Начальное давление и температура как для экспериментов, так и для моделирования были равны 1.04 бар и 80 ° C соответственно. Топливо — метан. Скелетный механизм из 30 видов, основанный на GRI3.0 (Lu and Law, 2008), используется в модели SAGE. За исключением механизма реакции, все модели и настройки такие же, как описано в разделе «Конфигурации двигателя и численные методы». На рисунке 5 показано сравнение прогнозируемого и измеренного (Gholamisheeri et al., 2017) давления в основной камере с очень хорошим согласованием. На рисунке 6 показано сравнение экспериментальных хемилюминесцентных изображений (Gholamisheeri et al., 2017) и прогнозируемый температурный контур в основной камере при аналогичных временах горения. Принципиальная форма горячей струи, выходящей из форкамеры, получена разумно. Из-за характера модели RANS прогнозируемая горячая струя намного более гладкая, чем измеренная. В целом, настоящая численная модель способна воспроизвести горение TJI.

РИСУНОК 5 . Сравнение расчетного и измеренного давления в основной камере.

РИСУНОК 6 .Сравнение экспериментальных хемилюминесцентных изображений (вверху) и прогнозируемого температурного контура (внизу) в основной камере при аналогичных временах горения.

Оценка моделей машинного обучения

Настоящая модель CFD затем применяется для моделирования корпусов двигателей SI, работающих на бензине и с форкамерой (см. Рисунок 1). Все следующие результаты и анализ основаны на моделировании бензинового двигателя SI с пассивной форкамерой.В настоящей работе для оптимизации используются модуль ML (учащийся регрессии) и модуль GA в Matlab. CA50, угол поворота коленчатого вала, соответствующий 50% расхода топлива, для простоты взят в качестве единственной цели характеристик двигателя. При таком же моменте зажигания меньшее значение CA50 указывает на более быстрое сгорание, что оставляет больше места для замедления искры и улучшенной экономии топлива. Для модуля ML используется перекрестная проверка с 5-кратной проверкой. На первом этапе тестируются все модели машинного обучения, доступные в модуле регрессионного обучения.Все конструктивные параметры, перечисленные в таблице 3, взяты на вход модулей ML. CA50, прогнозируемый CFD, устанавливается в качестве выходных данных. В таблице 4 показаны RMSE всех протестированных моделей машинного обучения. Образцы представляют собой результаты матрицы ДОЭ, которая в общей сложности составляет 56 образцов. В целом экспоненциальный георадар имеет самое низкое среднеквадратичное значение 2,628. Среди каждой категории выбирается одна модель для дальнейших оценок, включая надежную линейную модель (Ronchetti et al., 1997), грубую модель дерева (Breiman et al., 1984), средний гауссовский SVM (Xu et al., 2009), модель дерева в мешках (Ting and Witten, 1997) и экспоненциальный георадар (Williams, Rasmussen, 2006). На рисунке 7 показано сравнение прогнозируемого и фактического CA50 с использованием этих пяти выбранных моделей. Ось x указывает фактический CA50. Ось y указывает прогнозируемое значение CA50 с использованием моделей машинного обучения. Видно, что в целом все модели имеют некачественную подгонку. Одна из причин — небольшое количество выборок (= 56). Разница в подгонке между разностными моделями машинного обучения более очевидна.В частности, очень плохо подогнана грубая модель дерева. Используя метод, показанный на рисунке 4, эти пять моделей машинного обучения тестируются с 24 итерациями. Каждая итерация дает один «оптимальный» дизайн для каждой модели. На рисунке 8 показан прогнозируемый CFD CA50 «оптимальных» дизайнов на основе выбранных моделей машинного обучения. Можно видеть, что относительно средняя гауссовская модель SVM (SVM) дает наиболее оптимизированный дизайн с этими 24 итерациями. Таким образом, для оптимизации следующего этапа используется средняя гауссовская SVM-модель.

ТАБЛИЦА 4 . RMSE моделей машинного обучения.

РИСУНОК 7 . Сравнение прогнозируемых и фактических значений CA50 с использованием пяти выбранных моделей машинного обучения с 56 образцами из DOE. (A) Robust Linear Model, (B) Coarse Tree Model, (C) Medium Gaussian SVM, (D) из дерева в мешках и (E) экспоненциального георадара.

РИСУНОК 8 . Сравнение CA50, предсказанного с помощью CFD, по пяти выбранным моделям машинного обучения.

Средняя гауссовская модель SVM обучается с использованием всех результатов CFD (включая те, которые используются в других моделях машинного обучения). Используется тот же метод, что показан на рисунке 4. Спустя 10 поколений не было найдено лучшего дизайна, чем конструкция «SVM67» (67 — его номер поколения). На рисунке 9 показан прогнозируемый CFD CA50 для всех поколений. Ось x указывает номер поколения. Символы «*» обозначают 56 отсчетов матрицы ДОЭ. Квадратные символы квадратов указывают на результаты средней гауссовской модели SVM.Символы кружков обозначают результаты других моделей машинного обучения. Таким образом, для дальнейшего анализа выбирается конструкция «SVM67» с самым низким CA50 2,9 ° ATDC. В следующем разделе этот дизайн сравнивается с дизайном «RegTree64», который представляет наихудший CA50 (22,2 ° ATDC). Помимо этих двух крайних точек, в подробном анализе также рассматривается проект «DOE56», который представляет собой усредненный проект (все параметры проекта являются усредненными значениями по всем их диапазонам). Его CA50 равен 6.5 ° ВМТ. С этими тремя точками можно наблюдать более четкую тенденцию.

РИСУНОК 9 . CFD-предсказанный CA50 всех поколений.

На рисунке 10 показано сравнение прогнозируемых и фактических значений CA50 с использованием среднего гауссовского SVM со всеми 184 образцами. По сравнению со средним графиком SVM по Гауссу на рисунке 7, который основан на 56 выборках, качество подгонки улучшилось. Соответствующее среднеквадратичное значение снижено с 2,6349 до 2,2618. Хотя оптимизация началась с матрицы DOE минимального размера и, таким образом, исходное качество подгонки низкое, она постепенно улучшалась за счет добавления большего количества выборок из моделирования CFD в базу данных для обучения.В целях оптимизации, если подход ML + GA может фиксировать правильный тренд, направление оптимизации будет правильным. Даже иногда подход ML + GA предлагает некоторые плохие конструкции, это не разрушит весь процесс оптимизации, поскольку конструкции будут подтверждены в симуляциях CFD. Только результаты CFD будут серьезно рассмотрены для дальнейшего анализа и разработки оборудования, а не результаты, предсказанные моделью машинного обучения. Таким образом, качественного прогнозирования результатов CFD с помощью модели машинного обучения будет достаточно для настоящих приложений оптимизации.

РИСУНОК 10 . Сравнение прогнозируемых и фактических значений CA50 с использованием среднего гауссовского SVM со всеми 184 образцами.

Следует отметить, что нынешняя «оптимальная» конструкция является оптимальной только с точки зрения CA50 на основе момента зажигания -15 ° ATDC и без геометрии свечи зажигания. С учетом других целей и / или ограничений оптимальный дизайн будет другим. Успешная оптимизация CA50 обеспечит прямое указание на оптимальную экономию топлива.

Анализ горения оптимальной конструкции

Чтобы лучше понять, как параметры конструкции влияют на работу двигателя, сравниваются три выбранные конструкции. На рисунке 11 показаны кривые давления и скорости тепловыделения (HRR) основной камеры и предкамеры. Конструкция SVM67 имеет самое раннее повышение давления, что указывает на более быстрое сгорание. Конструкция RegTree64 имеет самое низкое пиковое давление и слабый HRR, что указывает на слабое сгорание как в форкамеру, так и в основной камере.Однако прямо перед моментом зажигания (CA = -15 ° ATDC) конструкция RegTree64 имеет более высокое давление в цилиндре, чем две другие конструкции. Это связано с меньшим объемом предкамеры, чем в двух других конструкциях (см. Рис. 12), и, следовательно, с более высокой степенью сжатия. При том же давлении и температуре наддува конструкция RegTree64 с более высокой степенью сжатия имеет более высокое давление и температуру в цилиндре, чем две другие конструкции, что является более благоприятным термодинамическим условием для более быстрого сгорания.Однако CA50, график давления и HRR показывают, что у RegTree64 самое медленное сгорание. По-видимому, процесс зажигания конструкции RegTree64 не выиграл от более высоких термодинамических условий во время зажигания. Конструкция DOE56 также имеет немного более высокое давление и температуру, чем конструкция SVM67 во время зажигания, в то время как ее процесс воспламенения происходит медленнее, чем конструкция SVM67. Это означает, что для нынешних процессов горения термодинамика не является самым доминирующим фактором. Средние массовые доли CO2 в форкамеру в момент зажигания равны 0.0246 (SVM67), 0,0230 (DOE56) и 0,0207 (RegTree64) соответственно. Конструкция SVM67 имеет самую высокую концентрацию CO2 в форкамере, что также не способствует более быстрому сгоранию, чем две другие конструкции. Таким образом, термохимическое состояние всей форкамеры также не является определяющим фактором.

РИСУНОК 11 . Профили следа давления основной камеры (слева) и форкамеры (справа) .

РИСУНОК 12 .Сравнение распределений z-скорости конструкций SVM67 (слева) , DOE56 (в центре) и RegTree64 (справа) при -15 ° ATDC.

На рисунке 13 показано сравнение распределений CO2 для конструкций SVM67 (слева), DOE56 (в центре) и RegTree64 (справа) при -15 ° ATDC. Контурные графики представляют собой массовую долю CO2 на срезе x , который проходит через центр сопла ( x = 0). Символ «+» указывает на место искры. Массовая доля CO2 в месте искры в этот момент равна 0.02334 (SVM67), 0,0216 (DOE56) и 0,02734 (RegTree64). Высокая концентрация CO2 в месте искры в конструкции RegTree64 является одной из причин самого медленного процесса воспламенения. По сравнению с конструкцией SVM67, концентрация CO2 конструкции DOE56 в месте искры ниже, что благоприятно для воспламенения и распространения пламени. Однако в целом процесс воспламенения у него медленнее, чем у конструкции SVM67. Таким образом, все термохимические условия конструкции СВМ67 не способствуют более быстрому процессу воспламенения.Это должно быть связано с другим физическим механизмом, выходящим за рамки термохимических условий.

РИСУНОК 13 . Сравнение распределений CO2 в конструкциях SVM67 (слева) , DOE56 (в центре) и RegTree64 (справа) при −15 ° ATDC.

На рис. 12 показано распределение скоростей z внутри предкамеры в момент зажигания для выбранных трех конструкций. Контурные графики нанесены на срез x , проходящий через центр сопла ( x = 0).Когда поршень движется в верхнюю мертвую точку (ВМТ), газ из основной камеры попадает в форкамеру через сопла. Следовательно, внутри форкамеры образуются струйные потоки. Благодаря большему объему форкамеры, струя в конструкции SVM67 длится дольше, чем в двух других конструкциях. Поле течения внутри форкамеры более сложное в конструкции SVM67, чем у двух других конструкций. В конструкции SVM67 образуется множество вихрей, создающих более сильную турбулентность, которая усиливает распространение пламени.Скорости z в месте нахождения искры составляют 14,5, 52,9 и 23,0 м / с соответственно. Относительно небольшая скорость восходящего потока конструкции SVM67 способствует распространению пламени вниз. Рядом с местом искры есть область с сильным нисходящим потоком, который переносит ядро пламени вниз. Конструкция DOE56 имеет очень сильный восходящий поток около места искры, который направит ядро пламени к потолку форкамеры, что вызовет большее гашение пламени. На рис. 14 показаны изолинии турбулентной кинетической энергии (TKE) внутри предкамеры в момент зажигания для выбранных трех конструкций.Конструкция SVM67 имеет явно более высокое ТКЕ, чем две другие конструкции. И его распределение в пространстве более однородное. Более высокое значение TKE увеличивает скорость турбулентного пламени и ускоряет распространение пламени.

РИСУНОК 14 . Сравнение распределений TKE конструкций SVM67 (слева) , DOE56 (посередине) и RegTree64 (справа) при −15 ° ATDC.

На рисунках 15 и 16 показаны изолинии температуры конструкций SVM67 (слева), DOE56 (в центре) и RegTree64 (справа) при −12.5 ° и -10 ° ATDC соответственно. В верхнем ряду показаны результаты для среза x , который проходит через центр сопла ( x = 0), а в нижнем ряду показаны результаты для среза y ( y = 0). . Очевидно, что в конструкции SVM67 пламя распространяется намного быстрее, чем в двух других конструкциях. Направления распространения пламени слабо коррелируют с областями с высоким ТКЕ. Кроме того, относительно сильный нисходящий поток около места искры перемещает все горящее облако вниз, т.е.е., дальше от верха форкамеры и меньше закалки стенок. Поскольку струйный поток из сопла, идущий вверх, все еще существует, пламя не может распространяться в центральную область форкамеры. Вместо этого он распространяется по боковой стене. Для конструкции DOE56 ядро пламени распространяется к верхней части форкамеры. Это происходит из-за относительно низкого TKE и сильного восходящего потока, как показано на рисунке 12. Можно видеть, что ядро пламени было частично погашено стенкой.Его ядро пламени распространяется в области боковых стенок, которые имеют относительно более сильный нисходящий поток. Ядро пламени конструкции RegTree64 имеет разумный размер на ранней стадии (см. Правый график на рисунке 15), почти сравнимый с размером ядра конструкции DOE56. Частично это связано с относительно слабым восходящим потоком. Однако, по сравнению с двумя другими проектами, ядро пламени дизайна RegTree64 не имеет большого распространения. Его форма не сильно искажается потоком, как две другие конструкции.Это должно быть связано с гораздо более низкой величиной скорости и TKE, чем в двух других конструкциях. В конце концов, конструкция RegTree64 имеет очень медленный процесс воспламенения внутри предкамеры и, следовательно, очень медленное сгорание внутри основной камеры. Таким образом, можно сделать вывод, что интенсивность турбулентности и структура потока внутри форкамеры имеют решающее значение для процесса воспламенения. Для улучшения характеристик двигателя предпочтительны сильная турбулентность и большая скорость нисходящего потока.

РИСУНОК 15 .Сравнение температурных распределений конструкций SVM67 (слева) , DOE56 (посередине) и RegTree64 (справа) при −12,5 ° ATDC. Верхний ряд: x-срез. Нижний ряд: y-срез.

РИСУНОК 16 . Сравнение температурных распределений конструкций SVM67 (слева) , DOE56 (посередине) и RegTree64 (справа) при −10 ° ATDC. Верхний ряд: x-срез. Нижний ряд: y-срез.

Регрессионный анализ проектных параметров

Регрессионный анализ проводится для выявления того, как проектные параметры влияют на цель, которой является СА50 в настоящем исследовании.На рисунках 17 и 18 показаны корреляции между CA50 и всеми проектными параметрами. Более высокий коэффициент детерминации ( R ²) указывает на более сильные корреляции. Таким образом, можно сделать вывод, что расчетные параметры «cr», «er» и «ez» являются наиболее очевидными воздействиями на CA50. Параметры «cr» (наибольший радиус, равный «cr», умноженный на радиус в точке E) и «er» (радиус в верхней части предкамеры) определяют радиусы верхней и нижней частей предкамеры, соответственно. .Параметр «ez» определяет высоту форкамеры. Их отрицательные наклоны указывают на то, что больший радиус и / или высота снижает CA50, т.е. более быстрое сгорание. Это согласуется с предыдущим анализом горения, согласно которому больший объем способствует процессу воспламенения. Форкамера имеет примерно цилиндрическую форму. Его объем в основном зависит от радиуса и высоты. Это объясняет, почему эти три параметра имеют относительно более последовательное влияние на CA50. Поскольку объем пропорционален квадрату радиуса, наклон «cr» и «er» больше, чем параметр «ez».Но поскольку радиус зависит как от «cr», так и «er», результирующие коэффициенты определения этих двух параметров ниже, чем «ez». Расчетный параметр «θ» определяет наклон между верхней и нижней частью форкамеры. Чем больше тета, тем круче угол наклона. Корреляция показывает, что крутой уклон предпочтительнее для лучшей производительности двигателя. Его относительный коэффициент детерминации подразумевает сильное взаимодействие с другими параметрами конструкции. Параметры, определяющие высоту предкамеры, «cz», «dz», «hz», «gz» и «bz», демонстрируют слабую корреляцию с CA50 из-за их низких коэффициентов детерминации.

РИСУНОК 17 . Корреляции между CA50 и проектными параметрами (bz, cr, cz, dz, er и ez).

РИСУНОК 18 . Корреляция между CA50 и проектными параметрами (gz, hz, theta, xbc и xde).

Параметры «xbc» и «xde» определяют изгибы вокруг углов. Их влияние относительно незначительно. Настоящий результат согласуется с наблюдением Shah et al. (2015), что больший объем форкамеры способствует процессу зажигания форкамеры.При сгорании двигателя обычно термодинамика является наиболее доминирующим фактором. При том, что все остальное остается неизменным, больший объем предкамеры приводит к более низкой степени сжатия, что обычно снижает эффективность двигателя и замедляет сгорание из-за более низкой температуры и давления в цилиндрах во время зажигания. Настоящая заявка показывает, что существует конкуренция во влиянии термодинамики и гидродинамики на сгорание в предкамерном двигателе. При определенных условиях гидродинамика может обогнать термодинамику и стать наиболее доминирующим фактором сгорания в форкамерном двигателе.Термодинамика может стать доминирующим фактором, если объем предварительной камеры превышает определенный предел. Когда объем предварительной камеры слишком велик, это приведет к низкому CR, чрезмерным потерям тепла в предварительной камере (Hua et al., 2021) и слабой горячей струе, выходящей в основную камеру. В этом случае CR следует зафиксировать во время оптимизации геометрии форкамеры, чтобы изолировать его влияние.

Чтобы избежать потенциальной систематической ошибки при линейном регрессионном анализе, используется метод повторной выборки с начальной загрузкой.Всего 184 точки данных случайным образом подвергаются повторной выборке 1000 раз, и к каждой выборке применяется линейный регрессионный анализ. На рисунке 19 показан график разброса наклона и коэффициента детерминации (RSQ) всех проектных параметров, рассчитанных на основе 1000-кратного бутстрэппинга. Результаты показывают ту же тенденцию, что и на рисунках 17 и 18, с точки зрения наклона и коэффициента детерминации. Параметры «cr», «er» и «ez» имеют наибольший коэффициент детерминации. Это означает, что предыдущий линейный регрессионный анализ достаточен для сравнения относительной важности различных проектных параметров для работы двигателя.Результаты аппроксимации модели линейной регрессии представлены в дополнительном материале.

РИСУНОК 19 . Наклон и коэффициент детерминации (RSQ) всех проектных параметров при 1000-кратном бутстреппинге.

Заключение

В этой работе разработан эффективный метод оптимизации, основанный на стратегии байесовского обновления для оптимизации двигателей внутреннего сгорания на основе 3D CFD. Этот метод объединяет DOE, генетический алгоритм и метод машинного обучения.Метод применяется для оптимизации конструкции форкамеры двигателя с искровым зажиганием. Геометрия форкамеры параметризуется 11 конструктивными параметрами. CA50 рассматривается как основная цель оптимизации. Сгенерирована матрица DOE этих проектных параметров. Конструкции в матрице DOE моделируются с помощью 3D CFD горения, который создает базу данных, которая используется для обучения моделей машинного обучения. Оценка различных моделей машинного обучения проводится в два этапа. Первый этап основан на RMSE моделей машинного обучения.Второй этап основан на итерациях с генетическим алгоритмом и 3D CFD горения. Оптимальная конструкция сравнивается с усредненной конструкцией, чтобы понять влияние конструкции форкамеры на характеристики двигателя. Из настоящей статьи можно сделать следующие выводы:

1) Предлагаемый метод оптимизации байесовского обновления на основе трехмерного CFD-моделирования горения, параметризации, DOE, GA и машинного обучения является эффективным и применимым для разработки двигателей.

2) Средняя гауссовская модель SVM оказалась лучшей моделью машинного обучения в Matlab для данного приложения.

3) Анализ горения выбранных конструкций показал, что интенсивность турбулентности и структура потока внутри предкамеры имеют решающее значение для процесса искрового зажигания. Больший объем форкамеры приводит к более сильному потоку струи в форкамеру и, как следствие, более сильной турбулентности и нисходящему потоку, который ускоряет процессы воспламенения и распространения пламени.

4) Был проведен простой линейный регрессионный анализ. Результаты показывают, что радиус и высота предкамеры оказывают очевидное влияние на CA50.Это три основных конструктивных параметра, определяющих объем предкамеры. Большой радиус верхней части форкамеры способствует процессу зажигания. Высота форкамеры меньше влияет на работу двигателя. Крутой наклон между верхней и нижней частью форкамеры благоприятен для процесса зажигания.

4) Большой объем форкамеры приводит к более низкой степени сжатия, более низкому давлению и температуре во время зажигания и более высокой остаточной концентрации в форкамере, что не способствует более быстрому зажиганию / сгоранию.Таким образом, термохимические условия вступают в противоречие с условиями гидродинамики. Выбор правильной конструкции — это поиск золотого пятна, которое ставит под угрозу эти два различных механизма.

В будущем будут приниматься во внимание другие параметры конструкции, включая количество отверстий сопла, размер отверстия сопла, направление отверстия сопла, ориентацию отверстия сопла, время зажигания и корпус поршня. Следует изучить более широкий диапазон проектных параметров. Геометрия свечи зажигания должна быть включена в модель CFD.Дополнительные цели (например, CA10, TKE и фракция остаточного газа в форкамере, выбросы) и ограничения (например, пиковое давление, скорость повышения пикового давления) могут быть приняты во внимание с использованием многоцелевых методов оптимизации.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

Авторские взносы

HG и PZ внесли равный вклад в данную статью.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы выражают признательность компании Convergent Science Inc. за поддержку этого исследования, предоставляя бесплатную академическую лицензию CONVERGE. Авторы выражают признательность Центру высокопроизводительных вычислений (HPCC) Техасского технологического университета в Лаббоке за предоставление ресурсов высокопроизводительных вычислений, которые способствовали результатам исследований, представленных в этой статье.Авторы выражают признательность рецензентам за ценные комментарии.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmech.2020.599752/full#supplementary-material.

Ссылки

Ахтар, М.С., Сан, С., Ма, X., Шен, Ю., Шуай, С.Дж., и Ван, З. (2017). Влияние геометрии сопла форкамеры на воспламенение и распространение пламени свечи зажигания, работающей на природном газе. Технический документ SAE 2017-01-2338.doi: 10.4271 / 2017-01-2338