Jurnl f KONES Pwertrin nd Trnsprt, Vl. 3, N. USE OF THEORY OF SIMILARITY IN DEPENDENCE ANALISYS OF AIR-FUEL RATIO MEAN THEMPERATURE AND BOUNDARY CONDITIONS IN DIESEL TURBO ENGINE Jrsw Kbry, Krystin Wilk The Silesin University f Technlgy ul. Krsiskieg 8, 4-9 Ktwice, Plnd tel.: +48 3 634453 e-mil: jrslw.kbryn@plsl.pl Abstrct The pper prpses wy f nlysing phenmen tht tke plce in diesel turb engine, mking use f the checked in prctice similrity numbers, pplied in estimtin f gs flmes in diffusin gs burners. Sme dependences f men burning temperture n bundry cnditins hve been cquired, such s nd men velcity f flw trugh inlet vlve. Authrs undertk hypthesis tht the criterin similrity numbers used fr estimtin f diffusive flmes f gs- industril burners culd be used fr estimtin phenmen ccurring in cmbustin engines. This permits bsing n similrity thery n cnclusin f prmeters dimensin fr different cmbustin engines. In industril burner dimensins f cylindricl cmbustin chmber d nt chnge t the time f, wheres in cmbustin engine chnges nly cmbustin chmber length. A fllwing similrity is the mnner f substrt feeding int cmbustin chmber. The cmbustin prcess f the fuel is in bth runs similr prcess, with this hwever difference tht in industril burners it runs imprmptu cntinuus, nd the CI engine begins nd finishes in 4 pistn-strkes cycles. Authrs presented dt cncerning f the free flw re between vlve set nd vlve hed s well results f clcultins f CI engine with superchrging. Keywrds: cmbustin engines, diesel engine, thery f similrity ZASTOSOWANIE TEORII PODOBIESTWA DO ANALIZY ZALENOCI REDNIEJ TEMPERATURY ADUNKU OD WARUNKÓW BRZEGOWYCH W SILNIKU ZS Z DOADOWANIEM Streszczenie W prcy zprpnwn spsób nlizy zjwisk zchdzcych w silniku ZS z ddwniem wykrzystujc sprwdzne w prktyce liczby kryterilne pdbiestw zstswne w cenie gzwych pmieni dyfuzyjnych plników przemyswych. Uzyskn zlenci redniej tempertury splni d wrunków brzegwych tkich jk wspóczynnik ndmiru pwietrz i redniej prdkci przepywu pwietrz przez zwód dltwy. Autrzy przyjli hiptez, e liczby kryterilne pdbiestw wykrzystywne d ceny dyfuzyjnych pmieni gzwych plników przemyswych mg by zstswne d ceny zjwisk zchdzcych w silnikch splinwych. Pzwl t w prciu teri pdbiestw n wniskwnie wielkci prmetrów rónych silników splinwych. W plniku przemyswym wymiry cylindrycznej kmry splni nie zmienij si w czsie, ntmist w silniku splinwym zmieni si tylk dug kmry splni. Klejnym pdbiestwem jest spsób dprwdzeni substrtów d kmry splni. Prces splni pliw jest w bu sytucjch prcesem pdbnym, z t jednk rónic, e w plnikch przemyswych przebieg w spsób cigy, silniku ZS
J. Kbry, K. Wilk rzpczyn si i kczy w kresch c 4 suwy tk. Autrzy zprezentwli dne dtyczce Swbdneg pl przepywu midzy gnizdem grzybkiem zwru rz wyniki blicze silnik ZS z ddwniem Sw kluczwe: silniki splinwe, ZS, teri pdbiestw Oznczeni A chwilwe ple pprzeczneg przekrju swbdneg przepywu przez szczelin zwru dltweg [m ], A r rednie ple pprzeczneg przekrju swbdneg przepywu przez szczelin zwru dltweg [m ], D rednic kmry splni, rednic cylindr [m], d, d c rednice gnizd zwru dltweg [m], d zstpcz rednic [m], H wznis zwru [m], i entlpi wciw pwietrz [J/kg], i g entlpi wciw pliw [J/kg], i pen (chemiczn i fizyczn) entlpi wciw [J/kg], K, K liczby kryterilne pdbiestw [-], L dug kmry splni, skk tk [m], m stsunek ms strumieni [-], m ms strumieni pwietrz [kg/s], g m ms strumieni pliw [kg/s], n prdk brtw [s - ], T tempertur pwietrz [K], T g tempertur pliw [K], redni tempertur splni [K], strumie bjtci pwietrz [m 3 /s], T r V g V strumie bjtci pliw [m 3 /s], V s bjt skkw silnik [m 3 ], w stsunek prdkci [-], w prdk wypywu pwietrz [m/s], w redni prdk przepywu pwietrz przepywjceg przez zwór dltwy [m/s], w g prdk wypywu pliw [m/s], w prdk wypywu [m/s], W d wrt pw [J/kg], kt przylgni zwru [], ef efektywny wspóczynnik lepkci [kg/(ms)], gst [kg/m 3 ], m gst miesznki [kg/m 3 ], czs wg wk rzrzdu [OWR].. Wprwdzenie Teri pdbiestw wykrzystuje nliz bezwymirwych kmbincji wielkci fizycznych pisujcych zjwisk zwnych liczbmi kryterilnymi pdbiestw. W celu
USE OF THEORY OF SIMILARITY IN DEPENDENCE ANALISYS OF AIR-FUEL RATIO MEAN... uzyskni zmin wrtci liczb kryterilnych mn zmieni wrtci dwlnych wrtci twrzcych te liczby i nie pwinn t mie wpywu n kcwy wynik. Zprpnwne w prcy liczby kryterilne uywne byy w bdnich nd gzwymi pmienimi dyfuzyjnymi gzwych plników przemyswych []. Kmry splni plników przemyswych wykzuj pdbiestw d kmry splni silnik splinweg (Rys..). W plniku przemyswym wymiry cylindrycznej kmry splni (D, L) nie zmienij si w czsie, ntmist w silniku splinwym zmieni si tylk dug kmry splni (L) zlenie d OWK. Klejnym pdbiestwem jest spsób dprwdzeni substrtów d kmry splni. W nlizwnych plnikch d kmry splni dprwdzne byy ddzielnie pliw i pwietrze, c czywicie m miejsce równie w silniku ZS. Prces splni pliw jest w bu przypdkch tke prcesem pdbnym, z t jednk rónic, e w plnikch przemyswych przebieg w spsób cigy, silniku ZS rzpczyn si i kczy w kresch c 4 suwy tk. Rys.. Schemt kmry splni plników przemyswych Fig.. The scheme f cmbustin chmber in diffusin flme burner Zprpnwne w prcy [] dwie liczby kryterilne njlepiej pisujce wrunki brzegwe pstnwin zstsw w nlizie wyników bd silnik ZS z ddwniem.. Liczby kryterilne pdbiestw [] Anlizwne w prcy liczby kryterilne pdbiestw znczn jk K i K. Liczb K jest tzw. efektywn liczb Reynlds. Zwier n infrmcje wymirch kmry splni, rdzju pliw rz wielkci pól przekrjów wyltwych, czyli njisttniejszych cechch knstrukcyjnych kmry splni. K wd ef. () Liczb K chrkteryzuje stsunek energii kinetycznej d penej entlpii strugi. Zwier dne wrtci pwej pliw, stpniu pdgrzni i prdkcich wypywu substrtów. w K. () i 3
J. Kbry, K. Wilk Anlizujc zgdnienie dprwdzeni substrtów d kmry splni dgdnie jest wprwdzi d rzw strug zstpcz. Prmetry tej strugi blicz si wg nstpujcych wzrów: - gst (plnik przemyswy) mg m. (3) V g V W celu prównni rónych silników w prcy zprpnwn inn pst strumieni bjtci (silnik ZS), przyjmujc i sum strumieni bjtci substrtów splni me by zstpin ilczynem prdkci brtwej silnik i bjtci skkwej cylindr (stn przed rzpczciem sprni, czyli przed zmin prmetrów dpywjceg dunku: p, V, T): m m g, (4) nvs - prdk wypywu w (plnik przemyswy) w m w m g g, (5) mg m w w prcy wykrzystn pwyszy wzór bez zmin dl silnik ZS, - zstpcz rednic d (plnik przemyswy) d m m w g, (6) w prcy wykrzystn pwyszy wzór bez zmin dl silnik ZS, - pen (chemiczn i fizyczn) entlpi wciw i (plnik przemyswy) i m W i g d g, (7) mg m m i przy zeniu, e substrty z pwyszeg równni s zimne (nie pdgrzne), pen entlpi wciw przyjmuje pst: i Wd, (8) m w prcy wykrzystn pwyszy wzór bez zmin dl silnik ZS, - efektywny wspóczynnik lepkci ef (plnik przemyswy): 4
USE OF THEORY OF SIMILARITY IN DEPENDENCE ANALISYS OF AIR-FUEL RATIO MEAN... 3 3 3 3,D L mg wg m w ef. (9) W prcy przyjt zenie, e pwyszy wzór pisuje równie silnik ZS. Teri pdbiestw wskzuje, e w celu uzyskni zmin wrtci liczb kryterilnych mn zmieni wrtci dwlnych wrtci twrzcych te liczby i nie pwinn t mie wpywu n kcwy wynik. 3. Wyznczenie K i K dl silnik ZS Wykrzystn dne bd hmwninych silnik z zpnem smczynnym z ddwniem z prcy [] (Tb. ). Prmetry silnik: Pjemn silnik: 39 cm 3 Mc nminln: 85 kw Stpie sprni:,: D =,8 m L =,94 m Liczb cylindrów: 5 Prmetry pliw: pl = 843 kg/m 3 Tb.. Wyniki bd silnik ZS [] Tb.. Test results f CI engine [] 3 4 5 6 7 8 5,3 4,4 3,,48,3,85,69,5 m,3,44,6,77,96,67,7,3 g 83 7778 7 6 5 8 m,59 4444,68,83 8889,85,896 67,96,936,967,754,863,9386,979,,8,358,6 n,65,65,65,65,65,656,65,65 667 667 667 667 667 67 667 667 4. redni tempertur splni Tempertur w cylindrze zlen jest d chwilweg czsu cyklu. W bdnich przyjt z wrt pcztkw tempertur dunku w chwili zmknici zwrów dltwych, ntmist z kcw tempertur splin w chwili twrci zwrów wyltwych. redni tempertur dl teg kresu, kreln jk redni tempertur splni kreln wedug wzru: T T( ) d r. () 5
J. Kbry, K. Wilk Wyznczn tke bezwymirw zredukwn tempertur dl trzymnej redniej tempertury uzlenijc j d tempertury klrymetrycznej pliw jk: T T r () k T T. 5. redni prdkci przepywu pwietrz przez zwór dltwy Prdk w przepywu pwietrz przepywjceg przez zwór dltwy wyznczn z równni (7): w r m. () A r Swbdne ple przepywu pmidzy gnizdem grzybkiem zwru (rys.) bliczn z zlenci (5): ( d d c) A d cd H tg d d c, (3) A r A( ) d. (4) Rys.. Swbdne ple przepywu midzy gnizdem grzybkiem zwru Fig.. Free flt re t vlve pening 6
USE OF THEORY OF SIMILARITY IN DEPENDENCE ANALISYS OF AIR-FUEL RATIO MEAN... 7,5 6 5 4,5 K 3 K,5,5,69,85,3,48 3, 4,4 5,3,5,69,85,3,48 3, 4,4 5,3 lmbd lmbd 7,7 6,6 5,5 K 4 3 tet,4,3,,,65,7,79,86,5,3,68,8,5,69,85,3,48 3, 4,4 5,3 K lmbd 7,5 K 6 5 4 3 K,5,5,6,6,58,55,5,47,43,39,6,6,58,55,5,47,43,39 tet tet Rys. 3. Wyniki blicze silnik S z ddwniem Fig. 3. Results f clcultin CI engine 6. Pdsumwnie Liczby kryterilne pdbiestw wykrzystywne d ceny gzwych pmieni dyfuzyjnych plników przemyswych mg by zstswne d ceny zjwisk zchdzcych w silnikch splinwych. Przypuszcz si n pstwie terii pdbiestw, e nliz tych liczb pzwli n wniskwnie wielkci prmetrów inneg silnik splinweg. W celu peniejszeg zbrzwni liczb K i K nleby przeprwdzi bdni i nliz dl rónych wrunków brzegwych chrkteryzujcych prc silnik splinweg. Dne knstrukcyjne i ekspltcyjne wikszci silników becnie prdukwnych s trudn dstpne. Przedstwiciele hndlwi i stcje bsugw nprwcze dyspnuj brdz grnicznymi dnymi. Wrtci tkich wielkci jk skk zwru, jeg rednic, czy nwet czskresy twrci i zmknici zwrów s trudn dstpne. 7
J. Kbry, K. Wilk Litertur [] Wilk, K., Bdni dyfuzyjnych plników gzwych. Zeszyty Nukwe Plitechniki lskiej, ser. Energetyk nr. 785, Gliwice 984. [] Gustf, P., Anliz mliwci zstswni mdelu dwustrefweg d bdni prcesu splni w silniku zpnie smczynnym. Prc dktrsk. Ktwice. [3] Jdrzejwski, J., Oblicznie tkweg silnik splinweg. WNT, Wrszw 969. [4] Szrgut, J., Termdynmik techniczn. PWN, Wrszw 99. [5] Winiewski, S., Obcieni cieplne silników tkwych. Wki, Wrszw 97. [6] Kwlewicz, A., Systemy splni szybkbrtwych tkwych silników splinwych. Wki, Wrszw 98. [7] Winiewski, S., Pdstwy termdynmiki silników splinwych. WNT, Wrszw 963. [8] Kbry, J., Wilk, K., Anliz mliwci zstswni liczb pdbiestw pisujcych gzwe pmienie dyfuzyjne d ceny zjwisk zchdzcych w silniku ZS. Zeszyty Nukwe Plitechniki lskiej, ser. Trnsprt nr. 57, Gliwice 5. [9] Selmet, E., Selmet, A., Nvk, J., Predicting chemicl species in sprk ignitin engines. Energy 9, 4. [] Chn, S., Zhu, J., Mdelling f engine in cylinder thermdynmic under high vlues f ignitin retrd. Int. J. Therm. Sci. 4,. 8