SELECTED METHODS OF IDENTIFYING HEAT RELEASE CHARACTERISTICS INCOMPRESSION-IGNITION COMBUSTION ENGINES

Transkrypt

1 Jurnal f KONES Internal Cmbustn Engnes 2005, vl. 2, -2 SELECTED METHODS OF IDENTIFYING HEAT RELEASE CHARACTERISTICS INCOMPRESSION-IGNITION COMBUSTION ENGINES Andrzej Ambrzk Ptr agwsk Techncal Unversty f Kelce Aleja Tyscleca Pastwa Plskeg 7,25-34 Kelce, Pland Phne: fa: , e-mal: sls@tu.kelce.pl Abstract The paper presents tw methds f dentfyng the characterstcs f cmbustn prcess heat release n fur-strke pstn cmbustn engne wth the use f epermentally btaned ndcatr dagrams. One f the characterstcs was determned after prevusly statng the self-gntn delay perd. The ther characterstcs was fund makng an assumptn that the cmplete, perfect cmbustn prcess was fnshed untl the nstant f the start f ehaust gases utflw frm the cylnder. Bth methds take nt accunt the change n the quantty f cmbustn prducts whle the prcess takes place, the dependence f specfc heats n the wrkng medum cmpstn and temperature and cnvectn heat transfer between the wrkng medum and the cmbustn chamber walls. Calculatns were made fr ndcatr dagrams f the engne peratng n eternal speed characterstcs regme, fuelled wth the same fuel and the same fuel charge per engne cycle. WYBRANE METODY SPORZDZANIA CHARAKTERYSTYK WYDZIELANIA CIEPA W SILNIKACH SPALINOWYCH O ZS Streszczene W referace przedstawn dwe metdy wyznaczana charakterystyk wydzelana cepa pdczas prcesu sana w cztersuwwym, tkwym slnku snwym z wykrzystanem eksperymentalne zdjtych wykresów ndykatrwy. Jedn z tych charakterystyk wyznaczn p uprzednm wyznaczenu kresu pónena samzapnu, drug za przy zaenu, e prces cakwteg zupeneg sana zsta zakczny d chwl rzpczca s prcesu wyltu sn z cylndra. Obe w/w metdy uwzgldnaj zman lc prduktów sana w czase jeg trwana, zalen cepe wacwych d skadu temperatury czynnka rbczeg raz knwekcyjn wyman cepa medzy czynnkem rbczym a cankam kmry sana. Oblczena prwadzn dla wykresów ndykatrwych slnka pracujceg wg zewntrznej charakterystyk prdkcwej, zaslaneg tym samym wem t sam jeg dawk przypadajc na cykl pracy slnka.. Wprwadzene Jednym z pdstawwych charakterystyk prcesu sana wa w slnku są charakterystyk względnej lśc wydzelająceg sę cepła. Pd pjęcem charakterystyk wydzelana cepła pdczas prcesu sana rzumemy zależnść lśc prędkśc wydzelana względnej lśc cepła pdczas prcesu sana z uwzględnenem cepła wymenaneg ze ścankam kmry sana. Przebeg w/w charakterystyk prcesu sana trzymanych w wynku analzy rzeczywsteg wykresu ndykatrweg zależy d dkładnśc wyznaczena sameg wykresu jak metdy jeg analzy. 5

2 Wykres ndykatrwy jest jednym z dść łatw uzyskwanych warygdnych źródeł nfrmacj przebegu prcesów zachdzących wewnątrz cylndra slnka. Od pstac teg wykresu zależy szereg ważnych wskaźnków parametrów pracy slnka. Charakterystyk względnej lśc cepła wydzelająceg sę pdczas prcesu sana wyznacza sę w parcu analzę wykresu ndykatrweg z zastswanem I zasady termdynamk []. Charakterystyk te wykrzystywane są zarówn na etape pracwywana nwych knstrukcj slnków jak w badanach, których celem jest ch dsknalene. 2. Cel bada raz metdyk wyznaczana charakterystyk wzgldnej lc wydzelajceg s cepa pdczas prcesu sana Celem badań jest pracwane, cena prównane dwóch metd wyznaczana charakterystyk wydzelana cepła pdczas prcesu sana. Charakterystyk wydzelana cepła według perwszej z prezentwanych metd sprządza sę p uprzednm wyznaczenu kresu późnena samzapłnu raz wartśc współczynnka wydzelana cepła, który wyznaczn wg metdyk przedstawnej w [2]. W drugej metdze zakłada sę że całkwta wartść względnej lśc wydzelaneg cepła pdczas całkwteg zupełneg prcesu sana równa = + sc =, następuje w czase prcesu rzprężana, d chwl rzpczęca sę twerana zawru wyltweg. Obe w/w metdy uwzględnają zmanę lśc prduktów sana w czase jeg trwana, zmanę cepeł właścwych zależnych d składu temperatury czynnka rbczeg raz knwekcyjną wymanę cepła pmędzy czynnkem rbczym a ścankam przestrzen w której zachdz prces sana []. Względną lść cepła wydzelaneg w czase prcesu sana wyznacza sę w parcu równane perwszej zasady termdynamk równane stanu czynnka rbczeg w cylndrze: dq du pdv dq sc dq dys. () pv MRT Dzeląc perwsze równane teg układu przez całkwtą lść cepła wydzelająceg sę ze sena dawk wa Q = g cykl W u, gdze: - współczynnk wydzelana cepła trzymujemy: d = d + d sc + d dys. (2) Chwlwą całkwtą lść cepła wydzelneg ze sane dawk wa g c blczamy z zależnśc: dq = g c W u d, Q = g c W u. (4) W zależnścach tych W u znacza wartść pałwą wa. Ilść cepła knwekcyjne wymenaneg ze ścankam kmry sana blczamy ze wzru Newtna []: dq sc = g F dt. (5) Wartść współczynnka przejmwana cepła g blczamy według znanych zależnśc emprycznych pdawanych w lteraturze specjalstycznej [3]. Welkść F jest erzchną wymenającą cepł, zaś dt znacza czas trwana tej wymany, który mżna zastąpć welkścą: t, (6) 6 n 6

3 gdze: kąt brtu wału krbweg lczny w OWK, n prędkść brtwa wału krbweg slnka, w br/mn. W prpnwanej metdyce blczeń załżn, że zjawsk dyscjacj pdczas prcesu sana ne występuje, tj. Q dys = 0. Załżene t jest mżlwe d przyjęca, pneważ rzważany prces sana w slnku zapłne samczynnym, zachdz przy średnch temperaturach sana ne przekraczających zwykle wartśc 2500K, zaś zjawsk dyscjacj rzpczyna sę przy temperaturach wyższych d 800K jeg ntensywnść rśne ze wzrstem temperatury pnad tę wartść. Wyrażene du + pdv w układze równań (), p przekształcenach zastąpenu różnczek różncam skńcznym przyjmuje pstać: p p V V du pdv (V V ) (p p ). (7) 2 2 Pdstawając zależnśc d (4) d (7) d równana (), a następne dzeląc perwsze z tych równań przez całkwtą lść cepła wydzelająceg sę ze sena dawk wa, trzymujemy zależnść pzwalającą blczyć względną, ndykwaną lśc cepła wydzelająceg sę pdczas prcesu sana: p p V V V V p p F. (8) g g cwu n Prędkść wydzelana sę względnej lśc cepła pdczas prcesu sana wyznaczamy z zależnśc:. (9) Przykładwy wykres,, raz sc trzymany w wynku analzy wykresu - ndykatrweg slnka AD3.52 pracująceg przy: n = 400 mn, M e = 50,2Nm, g c = 4, kg/cykl, ww = 5 OWK przed GMP przedstawn na rys.. Rys.. Wzgldne lc cepa wydzelaneg pdczas prcesu sana raz prdk wydzelana s tej lc cepa w slnku AD3.52 pracujceg przy: n=400 mn -, M e = 50,2Nm, g c =4, kg/cykl, raz ww =5 OWK przed GMP Fg.. Relatve amunts f heat released n cmbustn prcess and the rate f the heat amunt release n AD3.52 engne peratng at: n=400 rpm -, M e = 50.2Nm, g c = kg/cycle and ww =5 CA befre TDC 7

4 Nżej przedstawn drugą metdę wyznaczana charakterystyk względnej lśc wydzelaneg cepła. Pdstawwym załżenam przyjętym przy pracwywanu tej metdy są: - całkwta wartść względnej lśc wydzelneg cepła pdczas prcesu sana = + sc =, - knec całkwteg zupełneg prcesu sana następuje pdczas prcesu rzprężana, d chwl rzpczęca twerana zawru wyltweg, - wartść = sągana jest w zakrese kąta brtu wału krbweg znajdująceg sę w przedzale d zw d k. Ilustrację grafczną, tej metdy przedstawa rys. 2. Rys. 2. Ilustracja grafczna metdy wyznaczana charakterystyk, sc []: - pcztek prcesu sana, beca wart kta brtu wau krbweg, -knec prcesu sana, - pcztek twerana zawru wyltweg slnka, s kres pónena samzapnu Fg. 2. Graphc llustratn f characterstcs, and sc determnatn methd[]: cmbustn prcess, current value f the crankshaft rtatn angle, prcess, zw k zw - the begnnng f -the end f cmbustn - the begnnng f the engne utlet valve penng, s self-gntn delay perd k Klejnść blczeń, według drugej metdy jest następująca []: ) W parcu wartśc cśneń wykresu ndykatrweg blczamy pracę rzprężana czynnka rbczeg na dcnku d pczątek wtrysku d zw - twarce zawru wyltweg: L zw pdv z w, p - p gdze: p, zaś dv V 2 V - zmana bjętśc cylndra na blczenwym krku blczeń, kreślanym kątem brtu wału krbweg. 2) Wyznaczamy wartśc energ wewnętrznej czynnka rbczeg w punkce zw, realzując następującą klejnść blczeń: 8

5 c vm a b T, gdze: a a spr ( ) a, b bspr ( ) b. a a b b Welkśc: a spr bspr są współczynnkam cepeł właścwych czynnka rbczeg w czase prcesu sprężana, zaś cv a spr bsprt jest mlwym cepłem właścwym czynnka rbczeg w punkce. Wartść mlweg cepła właścweg sn c vw w chwl twarca zawru wyltweg blczamy równeż z yższych zależnśc pdstawając d nch =, czyl: c vzw a b, (2) γ γ T zw gdze: wartść temperatury sn T w w chwl twarca zawru wyltweg blczamy wg równana stanu, znając wartść cśnena p w w tym punkce, raz wartść bjętśc V zw w punkce zw. Ilść klml czynnka rbczeg zawarteg w cylndrze slnka blczamy z zależnśc: M M ps, gdze:, (3) przy czym dla slnka ZI: H , (4) M 0,209M ( ) zaś dla slnka ZS: H (5) M Wartśc entalp wa wartśc energ wewnętrznej czynnka rbczeg w chwl dadającej pczątkw prcesu wtrysku wa w chwl rzpczęca twerana sę zawru wyltweg wyznaczamy z zależnśc: H g c T, U McvT, U zw M w c, (6) vzw zw c gdze: M zw β Mps M. ps β γ Względną lść cepła dprwadzaneg d ścanek cylndra w krese lcznym d pczątku wtrysku wa d chwl rzpczęca twerana zawru wyltweg blczamy ze wzru: U zw U L zw H W e We. (7) g W c u 9

6 Wartśc względnych lśc cepła dprwadzaneg d ścanek kmry sana wyznaczamy przy załżenu ch lnwej zależnśc d kąta brtu wału krbweg (lna przerywana na rys. 2) blczamy według wzru: sc W e. (8) zw 3) Mając wyznaczne w yżej psany spsób, względne lśc cepła dprwadzaneg d ścanek kmry sana, wyznaczamy charakterystykę względnej ndykwanej lśc cepła wydzelająceg sę pdczas prcesu sana raz kąt dadający rzpczęcu sę prcesu sana. Oblczena rzpczynamy d punktu w realzujemy je w kerunku GMP, aż d wyznaczena kata dadająceg rzpczęcu sę prcesu sana ps. Charakterystykę względnej ndykwanej lśc wydzelająceg sę cepła pdczas prcesu sana wyznaczamy według zależnśc: U U c u pdv, (9) g W gdze: U jest zmenającą sę wartścą energ wewnętrznej czynnka rbczeg blczaną z zależnśc: U M c T. (20) Przy wyznaczanu wartśc raz blczanu cepeł właścwych czynnka rbczeg, w klejnym krku blczeń, jak pczątkwą wartść, wykrzystuje sę wartść blczną wcześnej dla punktu leżąceg p prawej strne punktu. W ten spsób blczana wartść sc ma wartść aż d punktu,,k p czym zaczyna maleć d wartśc zer. P blczenu w perwszym przyblżenu wartśc wyznaczenu pczątku prcesu sana blczena tarzamy wykrzystując zamast wartśc dadających punktw (pczątek wtrysku wa), wartść dadającą pczątkw prcesu sana ps. Mając tak wyznaczną krzywą wydzelana cepła mżemy blczyć czas trwana prcesu sana kresu późnena samzapłnu: v, s = ps. (2) spl k ps 3. Obekt zakres bada Obektem badań jest slnk zapłne samczynnym Perkns AD3.52 z bezpśrednm wtryskem wa d kmry sana usytuwanej w denku tłka. Slnk ten stswany jest w pjazdach samchdwych, jak w maszynach rbczych. Zakres analzy bejmuje wykresy ndykatrwe slnka pracująceg wg zewnętrznej charakterystyk prędkścwej. Charakterystykę tą sprządzn przy zaslanu slnka wem Ekdesel zmwy,,edz. 20.

7 W Tablcy Nr przedstawn dane technczne slnka Perkns AD Wynk bada W Tablcy Nr 2 przedstawn wskaźnk pracy raz wynk blczeń, sc trzymane według dwóch analzwanych metd. Welkść Tabela. Dane technczne slnka Perkns AD3.52 Table. Perkns AD3.52 engne techncal data Symb l Jednstk a Wartść Ilść cylndrów I - 3 Średnca cylndra D mm 9,44 Skk tłka S mm 27 Pjemnść skkwa V dm 3 2,502 Maksymalna mc slnka, przy prędkśc brtwej N n kw br/mn 34, Maksymalny mment brtwy M Nm przy prędkśc brtwej n br/mn 0 Stpeń sprężana - 6,5 Kąt dynamczneg pczątku tłczena t OWK 5 Tabela 2. Wartc wybranych wskanków pracy slnka AD3.52 raz wartc, sc blczne wg I szej II-gej metdy blcza Table 2. Values f selected characterstcs f AD3.52 engne peratn and values, and sc cmputed n accrdance wth I and II calculatn methd n br/mn G e kg/h p ma, MPa T ma, K Metda I Metda II sc sc 000 4,0,62 6, ,748 0,694 0,035 0,935 0,845 0, ,7,53 6, ,827 0,769 0,058 0,975 0,85 0, ,68,44 6, ,82 0,762 0,055 0,973 0,869 0, ,7,33 6, ,793 0,74 0,053 0,998 0,889 0, ,5,274 5, ,805 0,753 0,052 0,909 0, ,9,209 5, ,777 0,726 0,05 0,958 0,847 0,2 2

8 Rys. 3. Przykadwe wynk blcze, sc raz prdkc wydzelana s cepa wg dwóch metd w funkcj zmany bjtc dla wa EDZ przy prdkc brtwej n=400 mn -, M e =50,2Nm, g c =4, kg/cykl, ww =5 OWK przed GMP, przedstawne w ukadze wspórzdnych - V; dlny ndeks znacza wynk trzymane wg perwszej metdy za ndeks 2 dtyczy wynków trzymanych wg drugej metdy Fg. 3. Eemplary results f calculatns f, and sc and rates f heat release n accrdance wth tw methds as a functn f vlume change fr EDZ fuel at the rtatnal speed n=400 rpm -, M e =50.2Nm, g c = kg/cycle, ww =5 CA befre TDC, presented n the c-rdnate system - V; subscrpt dentes results btaned n accrdance wth the methd I whereas subscrpt 2 dentes results btaned wth the methd II 5. Wnsk. Wartśc względnych lśc cepeł, sągają najwększe wartśc przy ch blczanu wg metdy 2 (w której przyjęt, że współczynnk wydzelana cepła =), przeprwadznych dla prędkśc brtwej n=800br/mn, natmast sc najwększą wartść sąga równeż dla tej metdy, lecz przy prędkśc brtwej wału krbweg n=200br/mn. 2. Oblczena charakterystyk wydzelana cepła prwadzne wg metdy zstały zrealzwane p uprzednm wyznaczenu wartśc współczynnka wydzelana cepła. 3. Najmnejsze wartśc, raz sc trzyman przy blczanu ch wg bu metd, przy prędkśc brtwej n=000br/mn. 4. Zastswane drugej metdy analzy wykresu ndykatrweg umżlwa bk wyznaczena charakterystyk wydzelana cepła wyznaczene równeż kresu późnena samzapłnu jeśl znamy kąt brtu wału krbweg dadający pczątkw prcesu wtrysku wa d cylndra slnka. Lteratura [] Ambrzk A., Wybrane zagadnena prcesów ceplnych w tłkwych slnkach snwych, Wydawnctw Pltechnk Śwętkrzyskej w Kelcach, Kelce [2] Ambrzk A., Methd f determnatn f heat emssn ceffcent n cmbustn prcess. Strjncky Casps, /2005, SAV (Słwacka Akadema Nauk), Bratysława s [3] Ambrzk A.,,,Klasyfkacja emprycznych zależnśc kreślających współczynnk przejmwana cepła w tłkwych slnkach snwych, Slnk Snwe nr 4/