Испокон веков, создавая новые двигатели или их узлы, инженеры изготавливали опытные образцы последних, на которых проверялась правильность использованных подходов и инженерных решений. Но использование новой компьютерной математической модели, разработанной исследователями из университета Алабамы, позволит обойтись без дорогостоящего этапа многократного изготовления опытных образцов двигателей. Математическая модель дает в руки инженеров инструмент, позволяющий проектировать и проверять работу топливных и других систем двигателей внутреннего сгорания, используя только лишь числовые математические методы.

Чин-Пин Чен (Chien-Pin Chen), руководитель отдела машиностроения университета Алабамы, и его команда, создавая математическую модель, решили одну из самых сложных задач — задачу создания так называемого суррогатного топлива, топлива, имеющего упрощенный состав, поведение и свойства которого можно без особого труда представить в виде математических функций.

В состав суррогатного топлива входят всего три компонента. Для сравнения, в состав обычного топлива, такого как бензин и дизельное топливо, входит около сотни компонентов. Суррогатное топливо не является каким-то виртуальным топливом, его, используя соответствующие химические соединения, легко приготовить в нужных количествах в любой химической лаборатории. Но исследователей в первую очередь интересовало математическое представление физических и химических свойств суррогатного топлива, и как оказалось впоследствии, меняя коэффициенты полиномов этих математических функций, можно получить весьма точное представления любого реально существующего топлива, от ракетного топлива к классическому бензину и новым бензино-этаноловым смесям типа E85.

Получив в свое распоряжение механизм математического описания топлива, Чен и его команда смогли использовать эти данные в различных видах расчетов. В двигателях современных автомобилей форсунки инжекторов впрыскивают и распыляют топливо в камеру сгорания в точно заданные моменты времени. Размеры, состав и свойства капель топлива, температура и давление в камере сгорания, все эти данные могут быть выражены в числовом виде и использованы разработанной математической моделью.

Исследователи, используя свою модель, уже продемонстрировали как капельки топлива, впрыснутые инжекторами от различных производителей, ведут себя в камере сгорания, как они испаряются и насколько эффективно они сгорают. «Мы уже измерили работу многих типов инжекторов и собираемся выдать рекомендации некоторым автопроизводителям, которые позволят им сделать свои двигатели еще более экономичными» — рассказывает Чен.

Высокая точность математического моделирования позволила обратить внимание на такие явления как турбуленция в потоках топлива, явление, которое невозможно или очень тяжело изучить в реальности. Оказывается, что уменьшение турбулентных потоков в момент впрыска топлива инжектором способствует более равномерному сгоранию топлива в камере, что позволяет получить большую мощность и значительно увеличить срок жизни поршневой системы двигателя.

«Нашей основной целью является поиск новых способов эффективного сжигания топлива, что позволит получить большую мощность двигателя, уменьшить потребление топлива и уменьшить количество вредных выбросов в окружающую среду» — рассказал Чен.