Партнёр: МГТУ им. Баумана, программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК
Инструмент: IOSO NM + ДИЗЕЛЬ-РК
Презентация-кейс: «Оптимизация рабочих процессов дизеля с интеграцией IOSO NM и ДИЗЕЛЬ-РК» / «Diesel Engine Optimization Using IOSO NM and DIESEL-RK Integration»
Отрасль
Двигателестроение. Разработка и доводка автомобильных и транспортных дизельных двигателей с целью снижения выбросов вредных веществ и расхода топлива в соответствии с нормами Евро III и выше.
Задача
Одновременное снижение двух показателей автомобильного дизеля на рабочем режиме (RPM=1800; Pe=17 бар):
- Минимизация удельного расхода топлива (SFC → MIN)
- Минимизация эмиссии оксидов азота (NOx → MIN)
Ограничения: максимальное давление сгорания Pz < 190 бар, давление впрыска Pinj < 2000 бар, выброс NOx < 0,7 г/кВт·ч.
В расширенной постановке — оптимизация по всему диапазону рабочих режимов согласно Европейскому ездовому циклу R83: минимизация суммарного расхода топлива при ограничениях на суммарные выбросы твёрдых частиц (PM) и NOx.
Исходные ограничения и сложности
- Конкурирующие цели: снижение NOx, как правило, достигается за счёт увеличения рециркуляции ОГ, что ухудшает расход топлива — задача принципиально многокритериальная
- Большое число взаимосвязанных переменных: стратегия впрыска, фазы газораспределения, степень сжатия, конструктивные параметры распылителя, степень наддува — все влияют на оба критерия одновременно
- При одноразовом впрыске в исходном варианте топливо попадает на зеркало цилиндра, что ведёт к повышенному расходу топлива и несгоревшим углеводородам
- Высокий уровень NOx при одноразовом впрыске: 3,2 г/кВт·ч — не соответствует современным нормам
- При оптимизации по ездовому циклу R83 задача резко усложняется: для каждого из 10 рабочих режимов цикла требуется свой набор регулировочных параметров при общих конструктивных ограничениях
Подход и решение
IOSO управляет расчётным ядром ДИЗЕЛЬ-РК через файловый интерфейс: на каждой итерации передаёт вектор параметров через входной текстовый файл, получает результаты моделирования из выходного файла и обновляет аппроксимационную модель.
ДИЗЕЛЬ-РК обеспечивает физически обоснованное моделирование рабочего процесса: многозонная модель дизельной струи, учёт рециркуляции ОГ, детальный кинетический механизм образования NOx (199 реакций, 33 компонента), поддержка многоразового впрыска и процесса PCCI (предварительное смешение с самовоспламенением).
Оптимизировались три стратегии впрыска поочерёдно: одноразовый, двухразовый (пилотный + основной) и трёхразовый (два пилотных + основной).
Независимые переменные: доля пилотного впрыска, задержка между впрысками, угол опережения впрыска, степень рециркуляции ОГ, степень повышения давления в компрессоре, степень сжатия, фаза закрытия впуска, диаметр и количество сопловых отверстий распылителя, давление топлива перед соплами.
Результаты
Сравнение трёх стратегий впрыска на режиме RPM=1800, Pe=17 бар:
| Параметр | Одноразовый | Двухразовый | Трёхразовый |
|---|---|---|---|
| Расход топлива SFC, г/кВт·ч | 220 | 213 | 229,7 |
| Выброс NOx, г/кВт·ч | 3,2 | 0,71 | 0,66 |
| Степень рециркуляции ОГ | 0 | 0,313 | 0,35 |
| Степень наддува πk | 2,33 | 2,785 | 2,8 |
При двухразовом и трёхразовом оптимизированных впрысках топливо полностью перестаёт попадать на зеркало цилиндра, что подтверждается визуализацией процесса смесеобразования в ДИЗЕЛЬ-РК.
Для транспортного дизеля D=82 мм, S=94 мм оптимизация показала, что двухразовый впрыск с EGR=0,066 позволяет снизить NOx с 13,56 до 4,03 г/кВт·ч при умеренном ухудшении расхода топлива.
Ценность для заказчика
- Совместное использование IOSO + ДИЗЕЛЬ-РК даёт разработчикам дизелей инструмент для быстрого поиска компромиссных настроек двигателя по всему рабочему диапазону без дорогостоящих натурных испытаний на каждом шаге
- Возможность одновременно оптимизировать конструктивные параметры двигателя и стратегию впрыска для каждого режима ездового цикла — задача, недостижимая методом ручного перебора
- Поддержка современных норм токсичности Евро III и выше за счёт правильного подбора многоразового впрыска и рециркуляции ОГ
- Детальный кинетический механизм ДИЗЕЛЬ-РК (199 реакций) обеспечивает точный расчёт NOx при нестандартных стратегиях сгорания (PCCI, альтернативные топлива), а IOSO находит оптимум в этом сложном пространстве параметров
