Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

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 dнс предложены в работах [5, 6]. В них коэффициент dнс рассматривается, как разность долей неиспользуемой теплоты (или КПД ) 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 dнс 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 dнс подсчитывается по известной характеристике выделения теплоты  по выражению

.                                                    (1)

Здесь  - доля теплоты, мгновенно подведенная к рабочему телу на «n»-ом из «m» элементарных участков цикла при значении степени сжатия ;  - степень сжатия в ВМТ, ; k – показатель адиабаты, k=1,4;  - объемы рабочего тела при положениях поршня в ВМТ, НМТ и произвольной точке n.

В выражении (1), перейдя от суммы к интегралу, получим:

.                                                     (2)

Здесь независимая переменная величина - угол поворота кривошипа j - изменяется в диапазоне . Угол  соответствует моменту начала, а  - окончанию ввода теплоты с началом отсчета в ВМТ, где . До ВМТ , после ВМТ .

Обычно скорость ввода теплоты принято задавать не в функции угла j, а в функции угла a, имеющего нулевое значение в начале ввода теплоты и не меняющего своего знака в интервале продолжительности ввода теплоты от нуля до am.

В этом случае

,                                               (3)

l- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; q - угол опережения начала ввода теплоты, .

Изменяя в выражении (1) верхний предел суммирования от единицы до «m» и фиксируя подсчитанные значения коэффициента dнс, можно проследить его (dнс) накопление в развитии цикла, то 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 dнс по углу поворота кривошипа j и конечная его величина за цикл (при условии ввода всей теплоты х=1) зависят от двух функций: характеристики выделения теплоты x=f(j) и текущей степени сжатия en=f(j). Именно они в совокупности с моментом начала ввода теплоты относительно ВМТ определяют количество теплоты Dхn и степень сжатия εп, при которой теплота Dхn вводится в цикл на заданном элементарном интервале изменения угла j. В случае Dхнп>0 и с увеличением Dхнп уменьшается количество теплоты SDx, участвующей в цикле преобразования в работу, и соответственно коэффициент dнс 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 dнс=0,015 [4].

Вид зависимости en=f(j) и численные значения  в интервале продолжительности ввода теплоты  устанавливаются конструктивными параметрами двигателя: это отношение радиуса кривошипа к длине шатуна l и степень сжатия в ВМТ , а также углом начала ввода теплоты . Вид зависимости x=f(j) определяется ее характерными параметрами, принятыми при математической аппроксимации x=f(j).

В рассматриваемых ниже материалах исследований описание процесса выделения теплоты x=f(j) принято по уравнениям И.И. Вибе [1] и Б.П. Пугачева [2]. В уравнении И.И. Вибе необходимо задавать два параметра: продолжительность φz и показатель m характера сгорания. Показатель m однозначно определяет максимум скорости выделения теплоты и момент ее достижения в интервале продолжительности сгорания φz, а, следовательно, и вид функции x=f(j).

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 X1 и X2 , выделившейся в первой и второй фазах сгорания, и, соответственно, углы φ1 и φ2 достижения максимального значения скорости dx/ в этих фазах.

Таким образом, исследование коэффициента dнс 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 x=f(j) и en=f(j) на формирование коэффициента несвоевременности dнс 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 φн как на вид зависимости коэффициента dнс от угла поворота кривошипа φ так и на его конечное (максимальное) значение за цикл (кривая 1). Функция  имеет минимум при оптимальном  значении угла начала ввода теплоты φн= -10°. Напомним, что выбор угла φн, которому соответствует минимум коэффициента dнс, производится при выполнении условия: центр тяжести фигуры, образованной скоростью ввода теплоты dx/ и осью абсцисс φ, должен лежать на отметке ВМТ [3]. Текущее значение коэффициента dнс по углу поворота кривошипа при оптимальном угле φн меньше во всем диапазоне ввода теплоты φz в сравнении с ранними углами (φн= -15° и -20° на рисунке 1). В сравнении с поздними углами (φн=-5° и 0°) – выше в начале сгорания, затем сравнивается и по завершении сгорания принимает меньшее значение.

Рисунок 1 – Влияние момента начала ввода теплоты jн на dнс при m=-0,2; jz=100°.

 

Графики на рисунке 2 наглядно иллюстрируют тот факт, что во всем диапазоне выделения теплоты по характеристике , одинаковой для трех значений степени сжатия в ВМТ ε0=16; 12; 8, величина коэффициента несвоевременности dнс тем выше, чем выше степень сжатия в ВМТ ε0. Это объясняется более интенсивным падением текущей степени сжатия εп при отклонении угла φ от ВМТ для вариантов с более высокими значениями степени сжатия в ВМТ ε0. Сравним интенсивность падения εп  для ε0=16 и ε0=8, например, в интервале φ=0-40° и увидим, что падение εп при ε0=16 наблюдается в 8 раз, а при ε0=8 - только в 4 раза. И если в эксперименте с увеличением ε0 двигателя фиксируется снижение коэффициента dнс, то это происходит не благодаря увеличению ε0, а, вероятнее всего, по причине сокращения продолжительности сгорания (рассматривается ниже).

¾ e0=8; - - - e0=12; -о- e0=16.

Рисунок 2 – Влияние степени сжатия на dнс при m=-0,2; jz=100° и jн=-10°.

 

-------- l=0,23;  - - - - l=0,3.

Рисунок 3 - Зависимость dнс  и en по углу поворота от l и e0 (при m=0,5).

 

На рисунке 3 приведены результаты влияния на коэффициент dнс геометрической степени сжатия e0 и конструктивного параметра l=R/L, для которого выбраны крайние значения 0,23 и 0,3.

Из рисунка видно, что с увеличением параметра кривошипно-шатунного механизма l=R/L характер изменения текущей степени сжатия en наблюдается более крутым в районе ВМТ, что увеличивает количество теплоты подводимое при меньших степенях сжатия en, отсюда коэффициент неиспользования теплоты dнс вследствие несвоевременности увеличивается. Это увеличение составляет не более 4% от величины dнс во всем принятом диапазоне изменения l. Отсюда, КШМ с меньшими значениями конструктивного параметра l имеют незначительное преимущество в виде снижения коэффициента dнс.

Графики на рисунке 4 отображают влияние на формирование коэффициента dнс и его конечную величину продолжительности выделения теплоты φz , а на рисунке 5 - показателя процесса сгорания m. Как видим, при одинаковом значении показателя сгорания m с увеличением продолжительности φz  возрастают текущие и конечные значения коэффициента dнс. Интенсивность прироста коэффициента dнс (соответственно снижения КПД ht) возрастает с увеличением jz . Так прирост коэффициента dнс с изменением jz на 20° (с 80° до 100°) в 1,5 раза больше, чем на те же 20° (с 60° до 80°). Оптимальное значение угла φн начала ввода теплоты (по минимуму dнс) возрастает: чем продолжительнее ввод теплоты, тем раньше по отношению к ВМТ следует его начинать.

¾ jz= 60°, jн=-9°; –  –- jz= 80°, jн=-14°;

 - - - jz= 120°, jн=-17;  m=0,5; e0=16.

Рисунок 4 – Влияние jн и jz  на dнс.

 

—– m = 0,5, jн=-15°; —  — m = 1,5, jн=-24°;

 –  –  – m = 3,8, jн=-38°.

Рисунок 5 – Влияние m на dнс при оптимальных значениях jн.

 

Анализ влияния показателя m на формирование коэффициента dнс по углу φ, представленного графиками на рисунке 5, показывает необходимость увеличения угла φн с ростом показателя m. Наличие же максимума коэффициента dнс при m=1,5 в диапазоне m=0,5÷3,8 позволяет предполагать экстремум функции dнс=f(m).

Для подтверждения этого предположения и  получения представления о комплексном воздействии степени сжатия, показателя характера m, продолжительности φz и начала  сгорания φн  на конечную величину коэффициента dнс обратимся к графикам на рисунке 6. Графики  построены для значений степени сжатия ε0 , показателя характера m и продолжительности сгорания φz, характерных для бензиновых двигателей и дизелей, и оптимальных значений угла начала ввода теплоты φн (по минимуму dнс).  Для дизеля m=-0,3–0,7; φz=60–100° (и более), ε0 = 12–20, соответственно для бензиновых двигателей m = 3–4, φz = 40–60, ε0 = 7–12.

¾¾  jz=60°;    ¾  ¾  jz=40°.

Рисунок 6 - К анализу коэффициента несвоевременности сгорания dнс.

 

Рисунок 7 - К анализу коэффициента несвоевременности сгорания дизеля.

 

С учетом этих данных на рисунке 6 определены области (заштрихованные) коэффициентов dнс дизеля и бензинового двигателя. Проводя анализ коэффициента dнс, необходимо помнить, что его 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 φн по минимуму коэффициента dнс (максимуму КПД теоретического цикла) и максимуму индикаторного КПД не совпадают в связи с влиянием на выбор оптимального значения угла φн 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 φz и показателя сгорания m, что отмечалось ранее, и не зависит от степени сжатия ε0. Влияние продолжительности φz и степени сжатия ε0 на оптимальное значении угла φн пояснений не требует. Что касается влияния показателя m, 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 φн.

В исследуемом диапазоне изменения показателя сгорания m коэффициент dнс принимает максимальное значение. Сравнение характеристик изменения функций dнс = f(m) и максимального значения отвлеченной скорости сгорания w0 max на рисунке 6 показывает, что максимум коэффициента dнс соответствует минимуму скорости w0 max, которая получается при m=1,5 и отвлеченном угле (времени) φ/φz0,375 от начала сгорания. В области величин показателя m дизельного процесса рост m приводит к увеличению коэффициента dнс, а в области значений бензинового двигателя – к снижению dнс. При этом скорость изменения коэффициента dнс в функции показателя m более высокая для дизеля, чем для бензинового двигателя.

При равных величинах отвлеченной скорости w0 max, располагаемых слева и справа от минимума w0 max (рисунок 6), значения коэффициентов dнс оказываются не одинаковыми. Меньшее значение коэффициента dнс соответствует скорости w0 max, расположенной справа от минимума w0 max. В этом можно легко убедиться, сравнив величины коэффициентов dнс для точек а и в на рисунке 6. Для точки в коэффициент dнс 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 w0 max на значительном удалении от начала сгорания (рисунок 8), следует считать предпочтительным перед подводом теплоты с высокими значениями скоростей в начале сгорания.

Для оценки влияния продолжительности сгорания на рисунке 6 в области значений показателя m бензинового двигателя нанесены зависимости dнс=f(m) для продолжительности сгорания φz=40° и степеней сжатия ε0=12 и 8, а на рисунке 7 – зависимости dнс=f(m) дизеля с продолжительностью сгорания φz>60° и степенью сжатия ε0=16. Анализ этих зависимостей показывает решающее влияние на величину коэффициента dнс продолжительности сгорания. Так, увеличение продолжительности φz с 60° до 100° (рисунок 7) приводит к росту коэффициента dнс примерно в три раза во всем диапазоне изменения показателя m для дизеля. К такому же порядку увеличения коэффициента dнс приводит изменение параметра m от – 0,3 до 0,7. Влияние показателя m на коэффициент dнс усиливается с увеличением продолжительности  сгорания jz. Наиболее существенный рост коэффициента dнс для дизеля начинается с увеличением продолжительности сгорания φz>80°. При φz>100° и m>0,5 значение коэффициента dнс  начинает превосходить 0,04 ед. Для бензинового двигателя уменьшение продолжительности сгорания φz до 40° и степени сжатия до 8 приводит к уменьшению коэффициента dнс до значения менее 0,005 ед.

Таким образом, можно заключить, что и для дизеля, и для бензинового двигателя наибольшее влияние на величину коэффициента dнс оказывает продолжительность сгорания, затем показатель характера сгорания и степень сжатия.

Сравнивая области значений коэффициентов dнс для дизеля и бензинового двигателя на рисунке 6, замечаем, что в бензиновом двигателе граничные значения степени сжатия ε0=12 и продолжительности сгорания φz=60° являются наибольшими, а в дизеле – наименьшими в реальных диапазонах их изменения. Отсюда, с учетом установленного влияния φz и ε0 на dнс, следует, что значения коэффициентов dнс, соответствующие граничным (по величинам ε0 и φz) 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 ε0, продолжительности и показателя сгорания дизельного и бензинового двигателя значение коэффициента dнс первого существенно выше, чем второго. Это, главным образом, предопределяется большей продолжительностью процесса сгорания, а затем большей степенью сжатия и меньшим показателем m 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 φн, которые увеличиваются по абсолютной величине с ростом угла φ2 и доли теплоты X2 (уменьшением доли X1), видно:

- незначительное влияние на коэффициент dнс параметров взрывной фазы сгорания – угла φ1 и количества теплоты X1;

- решающее влияние на коэффициент dнс положения максимума скорости подвода теплоты в фазе диффузионного сгорания (угла φ2);

- наибольший рост коэффициента dнс происходит при увеличении угла φ2 более 15°.

Рисунок 8 - Отвлеченные скорости выделения теплоты для вариантов: аm=0,5; вm=3,8.

 

о-  -о  - x1=0,15 и φ1=2; о—о - x1=0,5 и φ1=2;

x-  -x - x1=0,15 и φ1=5; xx - x1=0,5 и φ1=5.

Рисунок 9 - Влияние параметров сгорания уравнения Б.П.Пугачева на коэффициент dнс.

 

Долевое участие взрывной фазы в формировании коэффициента dнс, оцениваемое отношением частного коэффициента несвоевременности выделения теплоты dнс в этой фазе к общему коэффициенту dнс всего процесса сгорания, уменьшается с увеличением угла φ1 и уменьшением коэффициента X1 во всем диапазоне изменения угла φ2. Диапазон изменения (заштрихованные площади на рисунке 9) отношения dнс/dнс, определяемый значением параметров φ1 и X1, по мере увеличения угла φ2 с 10 до 25° сокращается примерно в четыре раза. При φ2=25° отношение dнс/dнс равно 0,2÷0,25, и его можно считать постоянным и независящим от количества теплоты, подведенной в первой фазе, и угла φ1. 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 dнс получается большим на 0,005 ед. Диапазон изменения коэффициента dнс одинаков в обеих моделях, несмотря на разницу их математического описания, и не зависит от количества теплоты X1.

Зависимости коэффициента несвоевременности выделения теплоты dнс, коэффициента выделения теплоты x и текущей степени сжатия εп от угла поворота кривошипа φ показаны на рисунке 10 для дизельного и бензинового двигателей. Отличительной особенностью построенных здесь функций dнс =f(φ) является то, что они рассчитаны по зависимостям х=f(φ), не аппроксимируемым какими-то математическими выражениями, а полученным обработкой экспериментально снятых индикаторных диаграмм на анализ тепловыделения.

Общим для зависимостей dнс =f(φ) дизельного и бензинового двигателей является малая скорость нарастания коэффициента dнс и наличие как бы  площади постоянного значения dнс в 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 εп и пологой зависимостью коэффициента неиспользования теплоты в эталонном цикле dнс =f0) 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 10б).

а) ЯМЗ-240Н; n=2100 мин-1; Pi=1,2 МПа;

б) ЗМЗ-24; n=4200 мин-1; α=0,8; 100% нагрузка.

Рисунок 10 - Изменение коэффициента несвоевременности сгорания топлива.

 

Дальнейшее развитие сгорания приводит к интенсивному накоплению коэффициента dнс, особенно характерному для дизеля, чему в сравнении с бензиновым двигателем способствует более сильное падение текущей степени сжатия εп  по причинам более высоких значений максимальной степени сжатия ε0 и особенно продолжительности ввода теплоты. Именно эти факторы, как было показано выше,  в сочетании с большей полнотой сгорания (меньше ΔXнп) и предопределяют в дизеле и более высокое конечное (за цикл) значение коэффициента несвоевременности ввода теплоты dнс, который может достигать 0,1 ед. (рисунок 10) и более. В бензиновом двигателе - 0,025 ед., что существенно меньше.

Интерес представляет дифференциация коэффициента dнс по процессам, формирующим развитие характеристики выделения теплоты по углу φ. В бензиновом двигателе характеристика х=f(φ) формируется в основном процессом турбулентного сгорания однородной топливовоздушной смеси, подготовленной до начала процесса сгорания. В связи с чем коэффициент dнс не дифференцируется. В дизеле при определяющем диффузионном характере процесса сгорания характеристика х=f(φ) 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 dнс. Для чего общий коэффициент dнс представляется как сумма частных коэффициентов

,  (4)

где  и  – соответственно коэффициенты подачи и испарения топлива на элементарном участке изменения угла φ.

Формула (4) получена на основании уравнения коэффициента выделения теплоты , запись которого поясняется рисунком 11, и выражения (1) – для коэффициента dнс.

Каждый из коэффициентов формулы (4) характеризует увеличение неиспользования теплоты на определенной стадии ввода и преобразования топлива в конечные продукты сгорания. Первый dнст - в процессе подачи топлива, развивающейся с конечной скоростью, по сравнению с условным мгновенным выделением теплоты в ВМТ. Второй dнсисп - в процессе испарения топлива, отражает влияние отставания по фазе испарения от подачи топлива. Третий dнссм.с. - в процессах смешивания топлива с окислением и выгорания топливовоздушной смеси и учитывает влияние задержки развития этих процессов по сравнению с испарением топлива. Сумма коэффициентов dнсисп +dнссм.с. =dнс.з. показывает увеличение неиспользования теплоты, связанное с запаздыванием процесса 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 φ3. В таблице 1 приведены численные значения общего и частных значений коэффициента dнс 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 dнст в три-четыре раза меньше коэффициента dнс, а поэтому определяющим величину коэффициента является не подача топлива, а комплекс последующих процессов преобразования топлива, объединяемых в понятии «смесеобразование и сгорание». Их развитие предопределяет существенную задержку (угол φ3) 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 dнс, так как значение коэффициента dнсисп не превышает 0,000÷0,005. 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  относительно отметки ВМТ (расположением в области высоких eп).

Рисунок 11 - Характеристики подачи σm, испарения σисп, выгорания топлива x и задержки сгорания φ3 (дизель 4Ч 13/14, Pi=0,85 МПа, n=1750 мин-1).

 

Наибольшее влияние на коэффициент dнс оказывает развитие процессов смешивания паров топлива с окислителем и последующего выгорания топливовоздушной смеси. Это влияние оценивается коэффициентом dнссм.с.. В нашем примере коэффициент dнссм.с. = 0,048 и значительно превосходит не только каждый из прочих частных коэффициентов несвоевременности выделения теплоты (dнст, dнсисп), приведенных в таблице 1, но и их сумму.

 

Таблица 1.

Коэффициенты несвоевременности сгорания

Ед.

Общий коэффициент dнс

6,4

Частные коэффициенты

 

а) определяемый подачей топлива dнст

1,5

б) определяемый задержкой сгорания dнсз

4,9

в) определяемый испарением топлива dнсисп

0,1

г) определяемый смешением паров топлива с окислителем и выгоранием смеси dнс.см.с.

4,8

 

Одной из возможных причин высокого значения коэффициента dнс.см.с. 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  от всей теплоты Х, вводимой с топливом. Несвоевременность выделения теплоты в цикле dнс»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 dнс по углу поворота кривошипа j и конечная его величина за цикл (при условии ввода всей теплоты х=1) зависят от двух функций: характеристики выделения теплоты  и текущей степени сжатия . Последняя является функцией геометрической степени сжатия e0 и параметра КШМ l. Величина коэффициента несвоевременности dнс тем выше, чем выше степень сжатия e0 в ВМТ. Изменение коэффициента dнс составляет не более 4% от его величины во всем диапазоне l = 0,23 – 0,3. КШМ с меньшими значениями конструктивного параметра l имеют незначительное преимущество в виде снижения коэффициента dнс.

2.   Существует оптимальное значение угла начала ввода теплоты φн, при котором функция dнс = f(φн) достигает минимального значения. Оптимальное значение угла φн увеличивается с ростом продолжительности сгорания φz и увеличением доли теплоты, выделяющейся в завершающей фазе сгорания (с увеличением показателя m или угла φ2 достижения второго максимума скорости выделения теплоты).

3.   С увеличением продолжительности φz  возрастают текущие и конечные значения коэффициента dнс. Интенсивность прироста коэффициента dнс возрастает с увеличением jz.

4.   Зависимость коэффициента dнс от показателя m имеет сложный характер. Существует экстремум функции dнс = f(m), при котором dнс достигает максимума. В области величин показателя m, характерных для дизельного процесса, рост m приводит к увеличению коэффициента dнс, а в области значений, характерных для бензинового двигателя, – к снижению dнс. Влияние показателя m на коэффициент dнс усиливается с увеличением продолжительности  сгорания jz.

5.   Значение коэффициента dнс дизеля существенно выше, чем бензинового двигателя по причинам: большей продолжительности сгорания за счет длительной фазы диффузионного сгорания, большей степени сжатия e0 и характерных значений показателя m, ближе расположенных к m»1,5, при которых dнс достигает максимального значения.

6.   В сравнении с моделью процесса по И.И. Вибе при использовании уравнения сгорания Б.П. Пугачева значение коэффициента dнс получается большим на 0,005 ед. Диапазон изменения коэффициента dнс одинаков в обеих моделях, несмотря на разницу их математического описания, и слабо зависит от количества теплоты X1, выделившейся в фазе взрывного сгорания.

7.   В дизеле решающее влияние на формирование величины коэффициента dнс 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 dнс 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.

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2020 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)