Расчет и анализ коэффициента несвоевременности выделения теплоты в поршневых двигателях

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Федеральный портал & quot-Инженерное образование& quot-
т электронный журнал
ОБРАЗОВАНИЕ
Инженерное образование Ассоциация технических университетов
#1 январь 2007
Общие проблемы
инженерного
образования
Инженер в современной России
Наука в образовании: Электронное научное издание
CALS-технологии
Зарубежное образование
История технического прогресса
Учебные программы Будущий инженер Вне рубрик
English Library
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
Форум
Доска объявлений
Архив
Переписка
Информация о проекте About project
# Гос. регистрации 420 700 025
ISSN 1994−0408
Ред. совет Специальности Рецензентам Авторам English Koi-8 Win
¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
Найти!
Найти выделенное
Расчет и анализ коэффициента несвоевременности выделения теплоты в поршневых двигателях #1 январь 2007 УДК 621.4. 001. 57
А. Е. Свистула, Д. Д. Матиевский
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
Постановка задачи.
Несвоевременность выделения теплоты в циклах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) обычно связывают с продолжительностью развития процесса сгорания по углу поворота кривошипа, справедливо полагая, что чем позже по отношению к положению поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) осуществляется ввод теплоты, тем меньше эффективность ее использования и ниже КПД.
Метод анализа индикаторного КПД и численная оценка коэффициента несвоевременности выделения теплоты 5 предложены в работах [5, 6]. В них коэффициент 5 рассматривается, как
нс нс
разность долей неиспользуемой теплоты (или КПД щ -Щг) в теоретическом цикле, в котором ввод теплоты осуществляется также как в анализируемом действительном цикле, и в эталонном цикле.
За эталонный цикл принимается идеальный цикл с изохорным (мгновенным) подводом теплоты в ВМТ, как имеющий наибольший КПД. В такой постановке коэффициент 5нс характеризует
увеличение неиспользования теплоты, связанное с конечной скоростью ввода теплоты на некотором участке цикла, называемом продолжительностью ввода, в сравнении с бесконечной скоростью ввода (мгновенно) в ВМТ.
Численное значение коэффициента 8 подсчитывается по известной характеристике выделения теплоты х= /(ф) по выражению
Ar.
1 ?
Ь-1


F"
(1)
Здесь Ai^ - доля теплоты, мгновенно подведенная к рабочему телу на «и"-ом из «т» элементарных участков цикла при значении степени сжатия
— к — показатель адиабаты, ?=1,4- РдцгХ.^ - объемы рабочего тела при положениях поршня в ВМТ, НМТ и произвольной точке п.
VB: ?q — степень сжатия в ВМТ,
В выражении (1), перейдя от суммы к интегралу, получим:

(2)
Здесь независимая переменная величина — угол поворота кривошипа ср — изменяется в диапазоне ФШ~ФХ Угол {Ра соответствует моменту начала, а — окончанию ввода теплоты с началом
отсчета в ВМТ, где V =. До ВМТ 0, после ВМТ р & gt- О
Обычно скорость ввода теплоты принято задавать не в функции угла р, а в функции угла а, имеющего нулевое значение в начале ввода теплоты и не меняющего своего знака в интервале продолжительности ввода теплоты от нуля до ат.
В этом случае

(3)
Л- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна- в — угол опережения начала ввода теплоты, б — |рв |.
Изменяя в выражении (1) верхний предел суммирования от единицы до «m» и фиксируя подсчитанные значения коэффициента 5, можно проследить его (5) накопление в развитии цикла, то
нс нс
есть по мере увеличения количества относительной теплоты в цикле от нуля в начале до единицы в конце подвода теплоты. Естественно, что такая возможность имеется и при использовании выражений (2) и (3).
Из выражений (1), (2), (3) следует, что изменение коэффициента 5нс по углу поворота кривошипа (ри конечная его величина за цикл (при условии ввода всей теплоты х=1) зависят от двух
функций: характеристики выделения теплоты x=f (p) и текущей степени сжатия sn=f (p). Именно они в совокупности с моментом начала ввода теплоты относительно ВМТ определяют количество
теплоты Ахп и степень сжатия еп, при которой теплота Ахп вводится в цикл на заданном элементарном интервале изменения угла р. В случае Лхнп& gt-0 и с увеличением Ахнп уменьшается количество
теплоты ЕАх, участвующей в цикле преобразования в работу, и соответственно коэффициент 5нс уменьшается. Главным образом, по причине больших физических (прямые потери топлива) и
химических (недожог топлива) потерь теплоты двухтактные бензиновые двигатели малого литража с несовершенной системой кривошипно-камерной продувки имеют очень низкие значения коэффициента 5нс=0,015 [4].
Вид зависимости s =f (q& gt-) и численные значения в интервале продолжительности ввода теплоты 9Х устанавливаются конструктивными параметрами двигателя: это отношение радиуса кривошипа к длине шатуна Л и степень сжатия в ВМТ, а также углом начала ввода теплоты. Вид зависимости x=f (q& gt-) определяется ее характерными параметрами, принятыми при математической аппроксимации x=f (р).
В рассматриваемых ниже материалах исследований описание процесса выделения теплоты x=f (p) принято по уравнениям И. И. Вибе [1] и Б. П. Пугачева [2]. В уравнении И. И. Вибе необходимо задавать два параметра: продолжительность фг и показатель m характера сгорания. Показатель m однозначно определяет максимум скорости выделения теплоты и момент ее достижения в интервале
продолжительности сгорания ф а, следовательно, и вид функции x=f (p).
В двухфазной модели Б. П. Пугачева, более корректно описывающей процесс выделения теплоты в дизеле, первая фаза — взрывное сгорание топливовоздушной смеси, в той или иной мере подготовленной в одном или нескольких очагах самовоспламенения за период задержки воспламенения, развивающееся со скоростями, определяемыми кинетикой окислительных процессов- вторая фаза — диффузионное сгорание, скорость которого, как сложного процесса, устанавливается наиболее медленно развивающейся стадией — подготовкой топливовоздушной смеси. Здесь необходимо задать четыре параметра: доли теплоты Xj и X2, выделившейся в первой и второй фазах сгорания, и, соответственно, углы ф^ и Ф2 достижения максимального значения скорости dx/dф в этих фазах.
Таким образом, исследование коэффициента д сводится к установлению влияния на него степени сжатия отношения
/?, угла начала ввода теплоты и параметров,
характеризующих процесс ввода теплоты.
Выделить индивидуальное влияние названных характерных параметров функций х=/(р) и еп=/(р) на формирование коэффициента несвоевременности 5нс и его конечное значение можно только
проведением расчета теоретического цикла, а не обработкой экспериментально снятой индикаторной диаграммы по известной причине: в эксперименте, как правило, нельзя изменив один из анализируемых параметров, другие сохранить неизменными. Например, с изменением момента начала ввода теплоты одновременно изменяются и продолжительность, и характер ввода теплоты.
Результаты исследования.
На первоначальном этапе исследование выполнялось с использованием модели на основе тепловыделения по уравнению И. И. Вибе.
Графики на рисунке 1 отражают значительное влияние угла начала ввода теплоты фн как на вид зависимости коэффициента 5нс от угла поворота кривошипа ф так и на его конечное
(максимальное) значение за цикл (кривая 1). Функция имеет минимум при оптимальном значении угла начала ввода теплоты фц= -10°. Напомним, что выбор угла фц, которому
соответствует минимум коэффициента 5нс, производится при выполнении условия: центр тяжести фигуры, образованной скоростью ввода теплоты йх/йф и осью абсцисс ф, должен лежать на отметке
ВМТ [3]. Текущее значение коэффициента 5 по углу поворота кривошипа при оптимальном угле ф меньше во всем диапазоне ввода теплоты ф в сравнении с ранними углами (ф = -15° и -20° на
нс н 2 н
рисунке 1). В сравнении с поздними углами (фн=-5° и 0°) — выше в начале сгорания, затем сравнивается и по завершении сгорания принимает меньшее значение.
с?.
0. 04 0. 03 0. 02 0. 01 О
e =1 НС 0=-2D
i, А. --- 0
И -^
г -у -10
г.
-40
О
40
SO
& lt-Р-
Рисунок 1 — Влияние момента начала ввода теплоты рн на 5нс при т=-0,2- р2=100°.
Графики на рисунке 2 наглядно иллюстрируют тот факт, что во всем диапазоне выделения теплоты по характеристике /(ф). одинаковой для трех значений степени сжатия в ВМТ? д= 16- 12- 8, величина коэффициента несвоевременности 5нс тем выше, чем выше степень сжатия в ВМТ Это объясняется более интенсивным падением текущей степени сжатия? п при отклонении угла ф от ВМТ для вариантов с более высокими значениями степени сжатия в ВМТ Сравним интенсивность падения? п для е^=16 и ?^=8, например, в интервале ф=0−40° и увидим, что падение? п при е^=16 наблюдается в 8 раз, а при ?^=8 — только в 4 раза. И если в эксперименте с увеличением? д двигателя фиксируется снижение коэффициента 5нс, то это происходит не благодаря увеличению? д, а, вероятнее всего, по причине сокращения продолжительности сгорания (рассматривается ниже).
1С 12
8 4 О
Дг Ео=1б
Л /У Д Л /AHC
/1 JT i'-ji* sSLA

& lt-5нс 0. 06
0. 04 0. 02 0. 0
1
X
О 40 80 i& gt-: 120
— s0=8- - - - ?0=12- -о- s0=16. Рисунок 2 — Влияние степени сжатия на 5нс при m=-0,2- pz=100° и рн=-10°.
-40
О
120
40 80
--------А=0,23-----А,=0,3.
Рисунок 3 — Зависимость 5 и s по углу J нс n
поворота от Л и s0 (при m=0,5).
На рисунке 3 приведены результаты влияния на коэффициент 5нс геометрической степени сжатия ед и конструктивного параметра Л=Я/Ь, для которого выбраны крайние значения 0,23 и 0,3.
Из рисунка видно, что с увеличением параметра кривошипно-шатунного механизма Л=Я/Ь характер изменения текущей степени сжатия еп наблюдается более крутым в районе ВМТ, что увеличивает количество теплоты подводимое при меньших степенях сжатия е отсюда коэффициент неиспользования теплоты 5нс вследствие несвоевременности увеличивается. Это увеличение составляет не более 4% от величины 5нс во всем принятом диапазоне изменения Л. Отсюда, КШМ с меньшими значениями конструктивного параметра Л имеют незначительное преимущество в виде снижения коэффициента 5нс.
Графики на рисунке 4 отображают влияние на формирование коэффициента 5нс и его конечную величину продолжительности выделения теплоты фг, а на рисунке 5 — показателя процесса сгорания т. Как видим, при одинаковом значении показателя сгорания т с увеличением продолжительности фг возрастают текущие и конечные значения коэффициента 5нс. Интенсивность прироста коэффициента 5 (соответственно снижения КПД п) возрастает с увеличением р. Так прирост коэффициента 5 с изменением р на 20° (с 80° до 100°) в 1,5 раза больше, чем на те же 20° (с 60° до
нс т z нс z
80°). Оптимальное значение угла фн начала ввода теплоты (по минимуму 5нс) возрастает: чем продолжительнее ввод теплоты, тем раньше по отношению к ВМТ следует его начинать.
0. 02
0. 015
0. 01
0. 005
Л i/ ®нс
/ У& quot-*
X 1А -----
idr
/
-40
0
40
00 Ф. 120
— р= 60°, рн=-9°----р= 80°, (н=-14°-
. — - р= 120°, рн=-17- «=0,5- eg=16. Рисунок 4 — Влияние р и р на 8.
J '- W *7. Н Г
--т = 0,5, рн=-15°---т = 1,5, рн=-24°-
---т = 3,8, рн=-38°.
Рисунок 5 — Влияние т на 8нс при оптимальных значениях рн.
Анализ влияния показателя т на формирование коэффициента 5нс по углу ф представленного графиками на рисунке 5, показывает необходимость увеличения угла фн с ростом показателя т.
Наличие же максимума коэффициента 5 при т=1,5 в диапазоне т=0,53, 8 позволяет предполагать экстремум функции 5 =Дт).
нс нс
Для подтверждения этого предположения и получения представления о комплексном воздействии степени сжатия, показателя характера т, продолжительности фг и начала сгорания фн на
конечную величину коэффициента 5нс обратимся к графикам на рисунке 6. Графики построены для значений степени сжатия ед, показателя характера т и продолжительности сгорания фг,
характерных для бензиновых двигателей и дизелей, и оптимальных значений угла начала ввода теплоты ф (по минимуму 5). Для дизеля т=-0,3−0,7- ф =60−100° (и более), ед = 12−20,
н нс z 0
соответственно для бензиновых двигателей т = 3−4, фг = 40−60, ед = 7−12.
Кг
Фн N
-id 2,0
-30 1,5
-20 1. 0
-10 0,5
1Ш. ¦J. JiSCJEb-H lilP ЛЙНГ1ТН11^

щ ^ i
& quot-frf-

?в* 12


П Jfi

ПШ
-G.6 0 0.5 1.0 1.6 2.0 2,5 Э. О Э.6 ТП
— р = 60°---р = 40°.
Рисунок 6 — К анализу коэффициента несвоевременности сгорания 8нс.
0 0,25 0,5 0,75 1.0 Щ Рисунок 7 — К анализу коэффициента несвоевременности сгорания дизеля.
С учетом этих данных на рисунке 6 определены области (заштрихованные) коэффициентов 8 дизеля и бензинового двигателя. Проводя анализ коэффициента 8, необходимо помнить, что его
нс нс
численное значение, полученное расчетом теоретического обратимого цикла с рабочим телом — идеализированным воздухом, по абсолютной величине ниже чем для действительного цикла. Причина в том, что значение углов фн по минимуму коэффициента 8нс (максимуму КПД теоретического цикла) и максимуму индикаторного КПД не совпадают в связи с влиянием на выбор оптимального
значения угла фн процессов отвода теплоты, учитываемых в действительных и не учитываемых в теоретических циклах [6].
Из графиков на рисунках 6 и 7 следует, что оптимальное значение угла начала ввода теплоты возрастает с увеличением продолжительности фг и показателя сгорания т, что отмечалось ранее, и
не зависит от степени сжатия eg. Влияние продолжительности фг и степени сжатия eg на оптимальное значении угла фн пояснений не требует. Что касается влияния показателя т, то с его
увеличением максимум отвлеченной скорости выделения теплоты (рисунок 8) все больше удаляется от начала сгорания. В этом же направлении перемещается и центр тяжести (ЦТ) фигуры, образованной скоростью выделения теплоты и осью абсцисс. Соответственно растет и абсолютная величина оптимального угла фн.
В исследуемом диапазоне изменения показателя сгорания т коэффициент 8нс принимает максимальное значение. Сравнение характеристик изменения функций 8нс = /(т) и максимального
значения отвлеченной скорости сгорания cog на рисунке 6 показывает, что максимум коэффициента 8 соответствует минимуму скорости cog, которая получается при т=1,5 и отвлеченном
g тах нс g ~тах
угле (времени) ф/ф0, 375 от начала сгорания. В области величин показателя т дизельного процесса рост т приводит к увеличению коэффициента 8нс, а в области значений бензинового двигателя —
к снижению 8. При этом скорость изменения коэффициента 8 в функции показателя т более высокая для дизеля, чем для бензинового двигателя.
нс нс
При равных величинах отвлеченной скорости cog, располагаемых слева и справа от минимума cog (рисунок 6), значения коэффициентов 8 оказываются не одинаковыми. Меньшее
g тах g ~тах нс
значение коэффициента 8 соответствует скорости cog, расположенной справа от минимума cog. В этом можно легко убедиться, сравнив величины коэффициентов 8 для точек, а и в на
нс g тах g ~тах нс
рисунке 6. Для точки в коэффициент 8нс меньше, чем для точки а, а поэтому характер выделения теплоты, соответствующий точке в и отличающийся небольшими плавно увеличивающимися
значениями скоростей в начале подвода теплоты, а также достижением максимума скорости c g тах на значительном удалении от начала сгорания (рисунок 8), следует считать предпочтительным
g тах
перед подводом теплоты с высокими значениями скоростей в начале сгорания.
Для оценки влияния продолжительности сгорания на рисунке 6 в области значений показателя т бензинового двигателя нанесены зависимости 8=/(т) для продолжительности сгорания ф40°
и степеней сжатия eg=12 и 8, а на рисунке 7 — зависимости 8 =/(т) дизеля с продолжительностью сгорания ф & gt-60° и степенью сжатия eg=16. Анализ этих зависимостей показывает решающее g нс z g
влияние на величину коэффициента 8 продолжительности сгорания. Так, увеличение продолжительности ф с 60° до 100° (рисунок 7) приводит к росту коэффициента 8 примерно в три раза во
нс z нс
всем диапазоне изменения показателя т для дизеля. К такому же порядку увеличения коэффициента 8нс приводит изменение параметра т от — 0,3 до 0,7. Влияние показателя т на коэффициент 8нс усиливается с увеличением продолжительности сгорания pz. Наиболее существенный рост коэффициента 8нс для дизеля начинается с увеличением продолжительности сгорания ф80°. При ф& gt- 100° и т& gt-0,5 значение коэффициента 8нс начинает превосходить 0,04 ед. Для бензинового двигателя уменьшение продолжительности сгорания фг до 40° и степени сжатия до 8 приводит к уменьшению коэффициента 8нс до значения менее 0,005 ед.
Таким образом, можно заключить, что и для дизеля, и для бензинового двигателя наибольшее влияние на величину коэффициента 8нс оказывает продолжительность сгорания, затем показатель характера сгорания и степень сжатия.
Сравнивая области значений коэффициентов 8нс для дизеля и бензинового двигателя на рисунке 6, замечаем, что в бензиновом двигателе граничные значения степени сжатия eg=12 и
продолжительности сгорания ф =60° являются наибольшими, а в дизеле — наименьшими в реальных диапазонах их изменения. Отсюда, с учетом установленного влияния ф и eg на 8, следует, что
z z g нс
значения коэффициентов 8нс, соответствующие граничным (по величинам eg и ф_) для дизеля, являются минимальными, а для бензинового двигателя — максимальными теоретическими значениями,
которые, как это следует из графиков на рисунке 6, примерно равны. В остальном интервале характерного диапазона величин степени сжатия eg, продолжительности и показателя сгорания
дизельного и бензинового двигателя значение коэффициента 8нс первого существенно выше, чем второго. Это, главным образом, предопределяется большей продолжительностью процесса сгорания,
а затем большей степенью сжатия и меньшим показателем т дизеля в сравнении с бензиновым двигателем.
Результаты исследований влияния параметров двухфазной модели [2] процесса сгорания в дизеле на несвоевременность сгорания представлены графиком на рисунке 9.
Параметры процесса сгорания взяты по крайним значениям диапазона их изменения, установленного экспериментом [6]. Из этих графиков, построенных при оптимальных значениях угла начала ввода теплоты фн, которые увеличиваются по абсолютной величине с ростом угла ф2 и доли теплоты X2 (уменьшением долиXj), видно:
— незначительное влияние на коэффициент 8нс параметров взрывной фазы сгорания — угла ф1 и количества теплоты Xj-
— решающее влияние на коэффициент 8нс положения максимума скорости подвода теплоты в фазе диффузионного сгорания (угла ф^) —
— наибольший рост коэффициента 8нс происходит при увеличении угла ф2 более 15°.
4с %
А
0,2 0,4 0,6 0,6 & lt-р/(р
Рисунок 8 — Отвлеченные скорости выделения теплоты для вариантов: а — т=0,5- в -т=3,8.
& lt-р:
-25 -2D -15 -10
0.4 0,2

^s/


д, A
шг Щ ZZZ4E
10

20
25 & lt-р2
о- -о — х1=0,15 и ф1=2- о-о — х1=0,5 и ф1=2- x- -x — х1=0,15 и ф1=5- x-x — х1=0,5 и ф1=5. Рисунок 9 — Влияние параметров сгорания
уравнения Б. П. Пугачева на коэффициент 5.
Долевое участие взрывной фазы в формировании коэффициента 5нс, оцениваемое отношением частного коэффициента несвоевременности выделения теплоты 5'-нс в этой фазе к общему коэффициенту 5нс всего процесса сгорания, уменьшается с увеличением угла ф^ и уменьшением коэффициента X1 во всем диапазоне изменения угла ф^. Диапазон изменения (заштрихованные площади на рисунке 9) отношения 5 нс/5нс, определяемый значением параметров ф^ и Х^, по мере увеличения угла ф2 с 10 до 25° сокращается примерно в четыре раза. При ф^=25° отношение 5'-нс/5нс равно 0,20, 25, и его можно считать постоянным и независящим от количества теплоты, подведенной в первой фазе, и угла ф^. Этим и отражается главенствующее влияние диффузионной фазы сгорания на формирование коэффициента несвоевременности сгорания.
В сравнении с моделью процесса по И. И. Вибе при использовании уравнения сгорания Б. П. Пугачева значение коэффициента 5нс получается большим на 0,005 ед. Диапазон изменения
коэффициента 5нс одинаков в обеих моделях, несмотря на разницу их математического описания, и не зависит от количества теплоты X1.
Зависимости коэффициента несвоевременности выделения теплоты 5нс, коэффициента выделения теплоты х и текущей степени сжатия еп от угла поворота кривошипа ф показаны на рисунке 10 для дизельного и бензинового двигателей. Отличительной особенностью построенных здесь функций 5нс =/(ф) является то, что они рассчитаны по зависимостям х=/(ф), не аппроксимируемым
какими-то математическими выражениями, а полученным обработкой экспериментально снятых индикаторных диаграмм на анализ тепловыделения.
Общим для зависимостей 5 =А (ф) дизельного и бензинового двигателей является малая скорость нарастания коэффициента 5 и наличие как бы площади постоянного значения 5 в
нс нс нс
начальный период сгорания. Для дизеля при интенсивном выделении теплоты в начальной фазе взрывного сгорания, развивающегося в районе ВМТ, это предопределяется достаточно высокими значениями степени сжатия еп и пологой зависимостью коэффициента неиспользования теплоты в эталонном цикле 5нс =/(е^) в области высоких значений степени сжатия (рисунок 10а). Для
бензинового двигателя — низкими скоростями выделения теплоты, обуславливаемыми точечным характером воспламенения, и небольшим диапазоном изменения степени сжатия по сравнению с ее мгновенным значением в ВМТ (рисунок 106).
не 0: Ш
0,05
0. 04
0,02
/ № с
4 /
/ V
у г, а 1

0,3 0,6 0,4
0,2
не 0,04
0,02
Я* /
7
X/ г

0 20 40 60 00 Ю0
-1. Р-1
& lt-Р
X

8 ¦0,6
4 ¦0,4
0. 2
а) ЯМЗ-240Н- «=2100 мин-1- Р. =1,2 МПа-
-20 -10 0 10 20 40
-1. «-Г
& lt-р
б) ЗМЗ-24- «=4200 мин-1- а=0,8- 100% нагрузка.
Рисунок 10 — Изменение коэффициента несвоевременности сгорания топлива.
Дальнейшее развитие сгорания приводит к интенсивному накоплению коэффициента 5нс, особенно характерному для дизеля, чему в сравнении с бензиновым двигателем способствует более сильное падение текущей степени сжатия? п по причинам более высоких значений максимальной степени сжатия ед и особенно продолжительности ввода теплоты. Именно эти факторы, как было показано выше, в сочетании с большей полнотой сгорания (меньше ЛХнп) и предопределяют в дизеле и более высокое конечное (за цикл) значение коэффициента несвоевременности ввода теплоты 5нс, который может достигать 0,1 ед. (рисунок 10) и более. В бензиновом двигателе — 0,025 ед., что существенно меньше.
Интерес представляет дифференциация коэффициента 5нс по процессам, формирующим развитие характеристики выделения теплоты по углу ф. В бензиновом двигателе характеристика х=/(ф) формируется в основном процессом турбулентного сгорания однородной топливовоздушной смеси, подготовленной до начала процесса сгорания. В связи с чем коэффициент 5нс не
дифференцируется. В дизеле при определяющем диффузионном характере процесса сгорания характеристика х=/(ф) формируется последовательным и параллельным развитием во времени таких основных процессов, как подача и испарение топлива, распределение топлива по окислителю и его сгорание. Полная схема аналитического описания всей цепи процессов преобразования топлива и «технология расшифровки» этих процессов рассмотрена в работах Ю. Б. Свиридова [8]. Можно выделить и оценить значимость влияния отдельных процессов или определенной их совокупности на величину коэффициента 5. Для чего общий коэффициент 5 представляется как сумма частных коэффициентов
=
_& lt-14

Лег,. 04

. 04
04


, (4)
где Асг^ и До™ — соответственно коэффициенты подачи и испарения топлива на элементарном участке изменения угла ф.
Формула (4) получена на основании уравнения коэффициента выделения теплоты х= (^щ-запись которого поясняется рисунком 11, и выражения (1) — для коэффициента 5нс.
Каждый из коэффициентов формулы (4) характеризует увеличение неиспользования теплоты на определенной стадии ввода и преобразования топлива в конечные продукты сгорания. Первый 5 — в процессе подачи топлива, развивающейся с конечной скоростью, по сравнению с условным мгновенным выделением теплоты в ВМТ. Второй 5 — в процессе испарения топлива, отражает
влияние отставания по фазе испарения от подачи топлива. Третий 5н
— в процессах смешивания топлива с окислением и выгорания топливовоздушной смеси и учитывает влияние задержки
развития этих процессов по сравнению с испарением топлива. Сумма коэффициентов 5 +5 =5 показывает увеличение неиспользования теплоты, связанное с запаздыванием процесса
г г J тт -• нсисп нссм.с. нс.з. ¦& gt- '- ^
выделения теплоты от процесса подачи топлива (задержка сгорания), вызванное развитием во времени процессов распыливания, прогрева, испарения, распределения топлива по окислителю, сгорания, то есть комплекса всех тех процессов, которые объединены в понятие «смесеобразование и сгорание».
На рисунке 11 представлены типичные характеристики подачи, испарения и выгорания топлива, а также задержка сгорания, оцениваемая значением угла ф^. В таблице 1 приведены численные
значения общего и частных значений коэффициента 5нс для номинального режима работы дизеля 6Ч 13/14. Представленные и располагаемые материалы позволяют утверждать, что развитие
процесса подачи топлива во времени оказывает относительно малое влияние на несвоевременность сгорания, так как процесс подачи топлива скоротечен (с продолжительностью менее 30° по
коленчатому валу) и осуществляется вблизи ВМТ. Значение коэффициента 5 в три-четыре раза меньше коэффициента 5, а поэтому определяющим величину коэффициента является не подача
нет нс
топлива, а комплекс последующих процессов преобразования топлива, объединяемых в понятии «смесеобразование и сгорание». Их развитие предопределяет существенную задержку (угол ф3)
выделения теплоты, особенно значительную в стадии догорания, которая по продолжительности может занимать более половины длительности всего сгорания, и в течение которой с малыми скоростями выделяется до 30% и более теплоты.
Из процессов смесеобразования и сгорания процесс испарения топлива оказывает малое влияние на величину коэффициента 5нс, так как значение коэффициента 5нсисп не превышает
нс нсисп
0,0000, 005. Это объясняется высокими скоростями испарения топлива и малым отставанием испарения от подачи, которое равно нулю в начале и возрастает до 10−15° в конце подачи топлива, а также более симметричным расположением характеристики ^ = ф) относительно отметки ВМТ (расположением в области высоких в).
Рисунок 11 — Характеристики подачи о испарения оисп, выгорания топлива х и задержки сгорания ф ^ (дизель 4Ч 13/14, Р. =0,85 МПа, «=1750 мин-1).
Наибольшее влияние на коэффициент 5нс оказывает развитие процессов смешивания паров топлива с окислителем и последующего выгорания топливовоздушной смеси. Это влияние
оценивается коэффициентом 5нссм.с. В нашем примере коэффициент 5нссм.с. = 0,048 и значительно превосходит не только каждый из прочих частных коэффициентов несвоевременности выделения
нссм. с. нссм. с.
теплоты (5, 5), приведенных в таблице 1, но и их сумму.
Таблица 1.
Коэффициенты несвоевременности сгорания
Общий коэффициент 5нс
Частные коэффициенты
а) определяемый подачей топлива 5нст
б) определяемый задержкой сгорания 5нсз
в) определяемый испарением топлива 5
нсисп
г) определяемый смешением паров топлива с окислителем и выгоранием смеси 5н
Ед.
6. 4
1.5 4,9 0,1 4,8
Одной из возможных причин высокого значения коэффициента 5н
может быть выгорание с невысокими скоростями сажи, образовавшейся в локальных переобогащенных топливом
объемах камеры сгорания. Проверке и подтверждению данной гипотезы посвящены работы [7, 9], в которых показано, что от сгорания сажи выделяется до 30% (и более) теплоты Xе °т всей
теплоты X, вводимой с топливом. Несвоевременность выделения теплоты в цикле? «0,06−0,08 на 40−70% формируется несвоевременностью выгорания сажи ?^"0,05 (на номинальных нагрузках).
Поэтому, несвоевременность выгорания сажи — главный фактор, формирующий величину коэффициента несвоевременности выделения теплоты топлива. Выводы
1. Изменение коэффициента 5нс по углу поворота кривошипа (ри конечная его величина за цикл (при условии ввода всей теплоты х=1) зависят от двух функций: характеристики выделения теплоты х= /(ф) и текущей степени сжатия ?» = /(& lt-р). Последняя является функцией геометрической степени сжатия? д и параметра КШМ Л. Величина коэффициента несвоевременности с'-)^ тем выше, чем выше степень сжатия Ед в ВМТ. Изменение коэффициента 5нс составляет не более 4% от его величины во всем диапазоне Л = 0,23 — 0,3. КШМ с меньшими значениями конструктивного параметра Л имеют незначительное преимущество в виде снижения коэффициента 5нс.
2. Существует оптимальное значение угла начала ввода теплоты фн, при котором функция 5нс = А (фн) достигает минимального значения. Оптимальное значение угла фн увеличивается с ростом продолжительности сгорания фг и увеличением доли теплоты, выделяющейся в завершающей фазе сгорания (с увеличением показателя т или угла ф2 достижения второго максимума скорости выделения теплоты).
3. С увеличением продолжительности фг возрастают текущие и конечные значения коэффициента 5нс. Интенсивность прироста коэффициента 5нс возрастает с увеличением р_.
4. Зависимость коэффициента 5нс от показателя т имеет сложный характер. Существует экстремум функции 5нс = А (т), при котором 5нс достигает максимума. В области величин показателя т, характерных для дизельного процесса, рост т приводит к увеличению коэффициента 5нс, а в области значений, характерных для бензинового двигателя, — к снижению 5нс. Влияние показателя т на коэффициент 5нс усиливается с увеличением продолжительности сгорания р_.
5. Значение коэффициента 5 дизеля существенно выше, чем бензинового двигателя по причинам: большей продолжительности сгорания за счет длительной фазы диффузионного сгорания,
большей степени сжатия? д и характерных значений показателя т, ближе расположенных к т"1,5, при которых Знс достигает максимального значения.
6. В сравнении с моделью процесса по И. И. Вибе при использовании уравнения сгорания Б. П. Пугачева значение коэффициента Знс получается большим на 0,005 ед. Диапазон изменения коэффициента днс одинаков в обеих моделях, несмотря на разницу их математического описания, и слабо зависит от количества теплоты Х^, выделившейся в фазе взрывного сгорания.
7. В дизеле решающее влияние на формирование величины коэффициента Знс оказывают растянутые во времени процессы смешения паров топлива с окислителем и выгорания сажи, появляющейся в результате крайне неоднородной топливовоздушной смеси и высоких температур. Несвоевременность выделения теплоты в цикле Знс на 40−70% формируется несвоевременностью
выгорания сажи.
8. В бензиновом двигателе процесс сгорания совершенен с точки зрения места (своевременности) и характера его развития в цикле и несовершенен с точки зрения неполноты сгорания. В дизеле, наоборот, при достаточно полном сгорании высоко неиспользование от несвоевременности, особенно для высокооборотных форсированных двигателей.
Литература
1. Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателя/ И. И. Вибе. — М.: Машгиз, 1962. — 271 с.
2. Дьяченко Н. Х. Теория двигателей внутреннего сгорания/ Н. Х. Дьяченко и др. — Л.: Машиностроение, 1974. — 552 с.
3. Калачев Л. Д. Анализ идеальных циклов с помощью критерия тепловыделения/ Л.Д. Калачев// Тр. НАМИ. — 1968. -Вып. 99. — С. 44−52.
4. Кузьмин А. Г. Метод анализа индикаторного КПД в применении к двухтактному карбюраторному двигателю 1Д4,8/5,2 / А. Г. Кузьмин, В.А. Синицын// Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: Материалы научн. -практ. семинара. — Владимир: изд-во Владим. гос. ун-та, 1997. — С. 155−157.
5. Матиевский Д. Д. Метод анализа индикаторного КПД рабочего цикла двигателя/ Д. Д. Матиевский // Двигателестроение, 1984. — N 6. — С. 7 — 11.
6. Матиевский Д. Д. Разработка и использование методологии анализа индикаторного КПД для снижения расхода традиционного топлива, дымности и токсичности тракторных дизелей: дисс… докт. техн. наук/ Д.Д. Матиевский- АПИ. — Барнаул, 1988. — 416 с.
7. Матиевский Д. Д. Участие сажи в рабочем цикле дизеля и индикаторный КПД/ Д. Д. Матиевский, В. И. Дудкин, С.А. Батурин// Двигателестроение, 1983. — N 3. — С. 54−56.
8. Свиридов Ю. Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях/ Ю. Б. Свиридов. — Л.: Машиностроение, 1972. — 224 с.
9. Свистула А. Е. Влияние переменности состава топливно-воздушной смеси в зоне горения на сажевыделение, параметры рабочего цикла и индикаторный КПД цикла дизеля/ А. Е. Свистула, Д.Д. Матиевский// Ползуновский Вестник. — 2002. — № 1. — С. 10−17.
Публикации с ключевыми словами: тепловыделение — двигатель Публикации со словами: тепловыделение — двигатель См. также:
¦ & quot-Холодные"- микросхемы из Флориды Написать комментарий & gt->-
Журнал | Портал | Раздел Copyright © 2003 «Наука и образование. Инженерное образование» E-mail: magazine@xware. ru | тел.: +7 (495) 263-68-67
Вход для редакторов

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой