Modelowanie i analiza przebiegu wyładowania iskrowego w silniku z zapłonem wymuszonym

Celem pracy byla analiza i lepsze poznanie wpływu parametrów przepływowych oraz ciśnienia medium gazowego na przebieg wyładowania iskrowego inicjującego zapłon i późniejszy rozwój płomienia oraz opracowanie rozbudowanego modelu matematycznego wyładowania iskrowego, jego implementacja do kodu źródłowego programu KIVA-3V oraz weryfikacja z wynikami badań eksperymentalnych. W pracy zawarto kompleksową analizę przebiegu wyładowania iskrowego inicjującego zapłon oraz zaprezentowano aktualny stan wiedzy w tym zakresie. Ponadto scharakteryzowano zaprojektowane i wykonane w ramach pracy stanowisko do badania parametrów łuku elektrycznego. Przedstawiono opis zastosowanej metody pomiaru prędkości przepływu i wzorcowania sondy termoanemometrycznej wykorzystanej w trakcie realizacji pomiarów prędkości przepływu w komorze ciśnieniowej. Przedstawiono metodę rejestracji optycznej wyładowania iskrowego. Zdefiniowano charakterystyczne parametry geometrii łuku elektrycznego oraz przedstawiono wybrane wyniki badań. Ponadto w pracy dokonano przeglądu literatury dotyczącej modelowania matematycznego w zagadnieniach silnikowych, ze szczególnym uwzględnieniem zastosowania programu KIVA-3V do modelowania cyklu pracy silnika tłokowego. Opisano model wyładowania iskrowego inicjującego zapłon, opracowany na podstawie wyników badań eksperymentalnych. Przedstawiono ponadto algorytm działania modelu oraz omówiono róznice pomiędzy opracowanym modelem i standardowym modelem programu KIVA-3V. W ramach pracy wykonano trójwymiarowe modelowanie spalania mieszanki homogenicznej w komorze o stałej objętości. Zaprezentowano domenę obliczeniową warunki początkowe i brzegowe oraz wyniki modelowania z zastosowaniem obu analizowanych w pracy modeli wyładowania iskrowego. W celu porównania wyników badań eksperymentalnych i numerycznych z zastosowaniem obu analizowanych modeli w pracy zamieszczono opis oraz wyniki przeprowadzonych badań hamownianych silnika badawczego. Zaprezentowano obiekt badań eksperymentalnych, stanowisko pomiarowe oraz uzyskane wyniki w postaci przebiegów ciśnienia, temperatury oraz udziału ładunku spalonego w przestrzeni roboczej silnika w funkcji kąta obrotu wału korbowego. Przedstawiono wyniki modelowania spalania w komorze modelowanego silnika badawczego, przy czym inicjacja spalania poprzez wyładowanie iskrowe realizowana była z wykorzystaniem modelu standardowego i modelu opracowanego w ramach pracy. Dokonano zestawienia wyników badań eksperymentalnych z wynikami badań numerycznych. Rezultaty przeprowadzonych badań uzasadniają celowość stosowania rozszerzonego modelu wyładowania iskrowego inicjującego zapłon mieszanki palnej, uwzględniającego wpływ ciśnienia i prędkości mieszanki w pobliżu elektrod świecy zapłonowej w chwili wyładowania iskrowego.

The aim of the paper was the analysis and improving knowledge of the influence of flow parameters and pressure of the spark discharge, which initiates the ignition and subsequent flame development. Moreover the aim was to develop the extended mathematical model of spark discharge, its implementation to the source code of KIVA-3V software and validation with experimental research results. The comprehensive analysis of spark discharge initiating the ignition was included in the paper. The up-to-date knowledge in this field was presented. Moreover the paper contains the detailed description of designed test stand made within the confines of the paper and dedicated to electric arc parameters analysis. The description of applied flow velocity measurement method and hot-wire probe calibration is also included in the paper as well as the spark discharge optical recording method description. The characteristic parameters of electric arc were defined and research results were presented. The paper also includes the review of literature dealing with mathematical modeling of engine cycles with mostly taking into account the application of KIVA-3V software to piston engine work cycle modeling. The model of spark discharge initiating the ignition developed on the basis of performed experimental research was described. The algorithm of the model was presented and the differences between the developed and standard KIVA-3V ignition model were discussed. The 3D modeling of homogeneous mixture combustion in cynstant volume chamber was carried out The computational domain, initial and boundary conditions as well as the results of modeling with the use of both ignition models analyzed in the paper were presented. The description and results of carried out experimental engine research were presented in order to compare them with the results of numerical research with the use of both ignition models. The test engine and the test stand were also presented in the paper as well as the obtained results in the form of pressure, temperature and mass fraction burned curves in function of crank angle. The results of combustion modeling in combustion chamber of analyzed test engine with the use of standard and extended ignition model were described. The comparison of experimental and numerical modeling results was shown. The results of carried out research justify the purposefulness of applying the extended ignition model taking into account the influence of pressure and flow parameters in the surroundings of spark plug electrodes at the time of spark discharge.