Calculating the power stroke of a medium speed diesel engine with Fire code

Abstract

Tämän työn tarkoituksena oli laskea keskinopean dieselmoottorin puristus- ja työtahdit Fire-ohjelmalla. Lisäksi selvitettiin ohjelman soveltuvuutta dieselprosessin laskentaan, koska Suomessa ei aikaisemmin ole polttoaineen ruiskutusta ja palamista kyseisellä ohjelmalla laskettu.

Työn kirjallisuusosassa tarkastellaan dieselprosessia yleensä sekä Fire-ohjelman käyttämiä yhtälöitä ja osamalleja. Lisäksi käsitellään ohjelmalla työskentelyä.

Sovelluskohteena on Wärtsilä Diesel Oy:n keskinopea dieselmoottori, josta on laskentaan valittu 36° sektori olettamalla virtaus symmetriseksi. Laskenta on aloitettu 130° ennen yläkuolokohtaa ja lopetettu saman verran yläkuolokohdan jälkeen. Sylinterissä on laskennan alkuvaiheessa oletettu kaasun olevan pyörivässä liikkeessä. Aluksi on laskettu puristustahti ja työtahti ilman polttoaineen ruiskutusta. Tämän jälkeen on otettu polttoaineen ruiskutus mukaan laskentaan ja lopuksi myös palaminen. Pisarat on laskettu Lagrangen menetelmällä, jossa jokaista laskennallista pisaraa vastaa suuri määrä todellisia pisaroita. Palaminen mallinnetaan yhden askeleen reaktiolla, jossa reaktionopeus on ilman, polttoaineen ja savukaasun sekoittumisen rajoittama.

Lasketut tulokset ilman polttoaineen ruiskutusta vastaavat hyvin mittaustuloksia. Polttoaineen ruiskutuksen yhteydessä ilmeni ongelmia ohjelman toiminnan suhteen, eikä suihkun tunkeumaa voitu laskea mittauksia vastaavissa olosuhteissa. Ottaen huomioon erot olosuhteissa laskennan ja mittauksien välillä, voidaan laskettua suihkun tunkeumaa pitää melko hyvänä.

Polttoaineen ruiskutuksen yhteydessä olevat ongelmat vaikeuttivat luonnollisesti myös palamisen laskentaa. Palamisen yhteydessä on syttymiskohdassa (-8°) toistaiseksi selvittämätön paineen nousu. Reaktionopeuden lausekkeessa olevaa kerrointa on suurennettu kampikulmalla -1°, jonka seurauksena polttoaine palaa erittäin nopeasti nostaen sylinteripaineen liian nopeasti korkealle. Palaminen tapahtuu lähempänä sylinterikantta kuin mäntää todennäköisesti kahdesta syystä. Ilmaa on enemmän männän ja suihkun välissä kuin suihkun ja kannen välissä, jolloin palonopeus kasvaa lähellä mäntää. Toisaalta palamisen yhteydessä on käytetty pienempää vastuskerrointa pisaroille, jolloin pisaroiden höyrystyminen on todellisuutta suurempaa. Näin pisarat höyrystyvät ennenaikaisesti lyhentäen höyryn tunkeumaa. Koska vain 67 % koko polttoainemäärästä palaa, jää lämmön vapautuminen selvästi liian pieneksi.