Työkoneen dieselmoottorin palamisen simulointi: Sektorisimulointimallin kehittäminen ja vertailu mittausdataan

Abstract

Virtauslaskenta on tieteenala, jossa tutkitaan fluidien virtausilmiöitä erilaisilla numeerisilla menetelmillä. Virtauslaskennalla voidaan simuloida esimerkiksi fluidien virtauksia, palamista sekä lämmön- ja aineensiirtoa. Se on kustannustehokas tapa tutkia erilaisten laitteiden sisällä tapahtuvien ilmiöiden käyttäytymistä ilman fyysistä prototyyppiä. Simuloinnilla saadaan hyödyllistä tietoa tutkittavasta kohteesta, jota voidaan hyödyntää tutkimuksessa ja tuotekehityksessä.

Tässä työssä käsitellään dieselmoottorin sylinterin sisäisen palamisprosessin virtauslaskentaa. Työn tarkoituksena on kehittää palamisen simulointiin tarkoitettua sektorimallia ja verrata sillä saatuja tuloksia mittausdataan. Simulaation tuloksia voidaan hyödyntää esimerkiksi hakemalla teknisiä ratkaisuja, joilla voidaan minimoida päästöjä ja optimoida hyötysuhdetta. Sektorimallin soveltuvuutta dieselmoottoripalamisen simulointityöhön arvioidaan sen perusteella, miten hyvin tulokset vastaavat mittaustuloksia ja miten hyvin malli sopeutuu alkuarvoja muuttamalla simuloimaan muita toimintapisteitä.

Tämän työn tärkein teoriasisältö kattaa dieselmoottorin työkierron aikana tapahtuvan palamisprosessin, johon tutustutaan lämmönluovutuksen ja paineen näkökulmasta, koska nämä antavat hyödyllistä tietoa palamisen etenemisestä moottorissa. Lisäksi käsitellään näihin suureisiin vai-kuttavia ilmiöitä, kuten turbulenssia, polttoainesuihkua ja palamista. Turbulenssia mallinnetaan RNG k-ε -mallilla. Palamista ja syttymistä mallinnetaan yhdistetyllä ECFM3Z-TKI-mallilla. Polttoainesuihkun ja -pisaroiden käyttäytymistä mallinnetaan erilaisilla malleilla, joista tärkeimpänä polttoainesuihkun hajoamisen mallintaminen KH-RT hajoamispituus -mallilla. Dieselmoottoripalami-sen simulointiin muodostettiin yhden ruiskutussuuttimen kattava sektorimalli kaupallisella CON-VERGE CFD -ohjelmistolla.

Tulokset osoittivat, että CONVERGE-ohjelmisto pystyy kuvaamaan palamisprosessista aiheutuvaa paineen ja lämmönluovutusnopeuden muutosta hyvin. Sektorimallin ongelmakohdaksi havaittiin liian hidas syttyminen. Tästä seurasi liian suuri esisekoituspalaminen, joka puolestaan johti paineen äkilliseen nousuun palamisprosessin alussa ja aikaiseen laskuun diffuusiopalamisen lopussa. Samat tulokset olivat havaittavissa kaikissa kolmessa simuloitavassa tapauksessa.

Yhden ruiskutuksen simulointitapauksessa paineen maksimivirheen suuruus oli -4,8 %. Simu-lointitapauksissa, joissa oli esi-, pää- ja jälkiruiskutus, virhe oli toimintapisteessä 1700 rpm suurimmillaan -6,9 % ja toimintapisteessä 1300 rpm suurimmillaan -5,3 %. Suurimmat simuloidun paineen virheet sijaitsivat syttymisviiveen lopussa juuri ennen yläkuolokohtaa, maksimipaineen alueella, sekä ruiskutuksen loppupuolella. Simulaatioissa saadut näennäiset lämmönluovutusnopeudet noudattivat pääpiirteittäin mitatusta paineesta määritettyjä näennäisiä lämmönluovutusnopeuksia. Eroja huomattiin esisekoituspalamisen yhteydessä. Lämmönluovutusnopeuden suuresta hetkittäisestä vaihtelusta huolimatta mallilla saatiin suhteellisen hyviä tuloksia kumulatiiviselle näennäiselle lämmönluovutukselle eron ollessa suurimmillaan 2,4 %.

Työn tulosten valossa, työssä muodostettu CONVERGE-sektorimalli ylikorostaa syttymisviiveen suuruutta palamisprosessin alussa, mikä johtaa lieviin epätarkkuuksiin todellisen ja simuloidun palamisen välillä. Tämä on todennäköisesti seurausta yhdistetystä ECFM3Z-TKI-mallista, joka liekin nopeutta mallintavan Metghalchi-mallin kanssa vaikuttaa eniten palamisen etenemiseen sylinterissä. Syttymisviiveen tarkempi mallintaminen vaihtoehtoisella reaktiomekanismilla tai palamismallilla todennäköisesti johtaisi parempiin tuloksiin myös muissa painekäyrän poikkeavissa kohdissa, minkä vuoksi se toimii sektorimallin potentiaalisena kehityskohteena.