Приведены результаты математического моделирования влияния степени эффективного использования воздушного заряда цилиндра на процесс сажевыделения и связанные с этим потери теплоты. Показан резерв увеличения индикаторного КПД за счет уменьшения несвоевременности выгорания сажи и потерь от радиационного теплообмен

Матиевский, Д. Д.

Свистула, Андрей Евгениевич

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

Рабочие процессы в ДВС ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2004 53 и СВЧ-плазмотроны // Низкотемпературная плазма. – Т. 6. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1992. – 319 с. 4. Кроу. Численные модели течений газа с не-большим содержанием частиц // Теорет. основы инж. расчетов. – 1982. – № 32. – С. 114 – 122. 5. Vandoormaal J.P., Raithby G.D. Enhancements of the SIMPLE Method for Predicting Incompressible Fluid Flows // Numer. Heat Transfer. – 1984. – No. 7. – Р. 147 – 163.      УДК 621.436 Д.Д. Матиевский, канд. техн. наук, А.Е. Свистула д-р техн. наук ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО ЗАРЯДА ЦИЛИНДРА ДИЗЕЛЯ НА САЖЕВЫДЕЛЕНИЕ И ИНДИКАТОРНЫЙ КПД  Введение В цилиндре дизеля в результате струйного сме-сеобразования образуется крайне неоднородный со-став смеси, а диффузионное сгорание неоднородной смеси всегда сопровождается интенсивным сажевы-делением. Основная причина этого явления заключа-ется в реальном существовании локальных физиче-ских условий для протекания реакций высокотемпе-ратурного пиролиза углеводородов топлива. Несго-ревшая в цилиндре дизеля сажа представляет собой так называемый механический недожог топлива и входит составной частью в понятие теплоты сгора-ния. Основная масса сажи выгорает на линии расши-рения  несвоевременно, отчего выделившаяся тепло-та используется малоэффективно, с низким КПД. Одновременно, в результате высокой излучательной способности сажи значительно возрастают потери энергии в виде лучистой теплоты. Кроме этого, не-которая доля теплоты, выделившейся при сгорании сажи, отводится и конвективным путем. Таким обра-зом, как было показано в работе [4], можно предпо-ложить, что участие сажи в рабочем цикле оказывает влияние на индикаторный КПД через неполноту и несвоевременность сгорания, радиационный и кон-вективный теплообмен.  Методика исследования Для проведения математического прогнозиро-вания влияния переменности состава топливно-воздушной смеси в зоне горения на сажевыделение, параметры рабочего цикла и индикаторный КПД цикла дизеля надо знать: изменение состава топлив-но-воздушной смеси в зоне горения г = (), харак-теристику тепловыделения х = f(). Из существующих методик учета состава топ-ливно-воздушной смеси в зоне горения наибольший интерес представляет методика Н.Ф. Разлейцева, доведенная до численного решения, отличающаяся простотой и позволяющая учесть зависимость коэф-фициента выгорания х() от коэффициента г() или введенного понятия степени использования воздуш-ного заряда в [1]. г() =  в / х.   (1) Здесь величина в = f(  z) однозначно устанав-ливает связь между значением коэффициента избыт-ка воздуха в зоне горения г() и характеристикой выгорания топлива х() и отражает степень эффек-Рабочие процессы в ДВС ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2004 54 тивного использования воздушного заряда цилиндра. Для оценки влияния сажи на формирование ин-дикаторного КПД i цикла воспользуемся методикой [2, 4]. Комплексный анализ влияния сажи на i оце-ним через изменение всех статей неиспользования теплоты в цикле согласно уравнению: iсж=χвыгсж– (эсж+нссж+ксж+wрсж+wксж+ нпсж), (2) где iсж - коэффициент использования теплоты, выделенной в результате выгорания сажистых частиц; χвыгсж – доля теплоты, выделившейся в цикле при выгорании сажи;  коэффициенты неиспользования теплоты:  эсж – в эталонном цикле,  нссж – вследствие несвоевременности подвода теплоты,  ксж – вследствие изменения теплоемкости ра-бочего тела,  wрсж – вследствие наличия радиационного теп-лообмена от излучения сажистых частиц,  wксж – вследствие наличия конвективного теп-лообмена,  нпсж – вследствие неполноты сгорания сажи. Наибольшее значение в негативном влиянии на индикаторный КПД сажа оказывает через несвое-временность сгорания – коэффициент δнссж. Учиты-вая отмеченные обстоятельства, в рамках данной работы ограничимся проведением прогноза влияния сажи на экономичность цикла только через измене-ние несвоевременности выгорания сажи δнссж, не-полноты δнпсж и радиационного теплообмена δwp, имея в виду, что не учет конвективной составляю-щей теплообмена от выгорания сажи приведет к не-которому занижению полученной количественной оценки влияния сажи на индикаторный КПД рабоче-го цикла. Для расчета δнпсж достаточно знать зависимость коэффициента выделения теплоты от выгорания са-жи χвыгсж. Определенный интерес представляет накопле-ние данных по эффективности использования тепло-ты выгоревшей сажи, которая может быть найдена по формуле ,сжвыгсжiсжi   (3) где сжвыг  – доля теплоты, выделившейся в цик-ле при выгорании сажи; сжi  – полезное использование теплоты выго-ревшей сажи. 2. Результаты прогнозирования содержания са-жи в цилиндре дизеля и эффективности ее выгорания Исследования проводились на математической модели процесса результирующего сажевыделения [3], модели расчета рабочего цикла, дополненной методикой анализа индикаторного КПД с учетом влияния на i сажевыделения [4]. Характеристику тепловыделения будем рас-сматривать как сумму двух слагаемых х = хмс + хс.   (4) Величина хс характеризует теплоту выгорания сажи, а хмс = х - хс – всю остальную теплоту. Характер протекания кривой в() определяется координатами ее минимума  zo = 0,33 и во = 0,2...0,8. На рис. 1 приведена зависимость содержания сажи в цилиндре от эффективности использования воздушного заряда с учетом влияния последней на характеристику выгорания топлива. Из рисунка вид-но что, чем более однородная смесь образуется в процессе горения, тем круче протекает кривая х=f(), тем меньше содержание сажи в цилиндре, тем рань-ше процесс выгорания сажи по скорости начинает опережать процесс ее образования. При в = 1, что возможно только теоретически, содержание сажи в цилиндре минимально. Количество теплоты, выде-лившееся при выгорании сажи, составляет при во = Рабочие процессы в ДВС ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2004 55 0,2 - 1 соответственно хс = 9 - 19 % от теплоты, под-веденной с топливом, причем меньшей величине в. соответствует большее значение хс.   Рис. 1. Влияние функции В() на характеристики выгорания топлива и содержание сажи  - Во=1,0; × - Во=0,8; + - Во =0,6;  - Во =0,4;  о - Во = 0,2.  Рис. 2. Зависимость параметров тепловыделения, эффективности использования теплоты в цикле, индикаторного КПД от эффективности использо-вания воздушного заряда цилиндра Представляет определенный интерес связь ха-рактера сажевыделения в цилиндре и индикаторного КПД цикла. Как отмечалось выше и в [4], основная масса сажи сгорает на линии расширения и при этом имеет большую излучательную способность, т.е. имеет значительные потери теплоты вследствие не-своевременности сгорания и радиационного тепло-обмена. На рис. 2 показано изменение индикаторно-го КПД i, названных составляющих неиспользова-ния теплоты нссж, нс, wрсж, коэффициентов исполь-зования теплоты выгорающей сажи хс и остальной теплоты хмс., подсчитываемых по формулам: iсж=icж/xc; iмс=iмс/xмс, (5) представляющих отношение полезно используемой теплоты к подведенной в результате развития соответст-вующего процесса в зависимости от степени эффективно-сти использования воздушного заряда цилиндра. Из рис. 2 видно, что с увеличением подвода теп-лоты через выгорание сажи хс (при снижении величины во), индикаторный кпд i уменьшается, а неиспользо-вание теплоты вследствие несвоевременности нс зна-чительно возрастает, причем изменение величины нс достигает 60 % от общего уменьшения i. С увеличени-ем хс возрастает доля неиспользования теплоты, свя-занная с несвоевременностью выгорания сажи нссж, в общем значении нс, и, уже при хс равном 0,20, нссж составляет более 70 % от нс. Доля неиспользования теплоты вследствие радиационного теплообмена wрсж также резко возрастает при увеличении хс. С возраста-нием во при улучшении качества процесса увеличение КПД i связано как с ростом iсж, так и с уменьшением хс на величину хс, на которую автоматически возрас-тает хмс, вводимая в цикл с большей скоростью при меньшей продолжительности, а соответственно и с большим КПД (iмс = 0,51). Ниже в табл. 1 приведены результаты полной Рабочие процессы в ДВС ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2004 56 раскладки потерь теплоты, связанные с наличием и выгоранием сажистых частиц в цилиндре дизеля для во = 0,4 и теоретически возможного рабочего про-цесса с во = 1.  Таблица 1. Результаты полной раскладки потерь теплоты  хс ,% эсж, % нссж,% ксж,% wрсж,% wксж,% нпсж,% сж,% iсж,% icж во= 0,4 17,3 5,6 2,6 2,3 0,8 0,8 0,6 12,7 4,6 0,27 во = 1 9,4 3,0 0,7 1,24 0,2 0,4 0,3 5,84 3,56 0,38  Из таблицы видно, что при увеличении во все коэффициенты неиспользования теплоты уменьша-ются примерно пропорционально снижению хс, од-нако, коэффициенты потерь от несвоевременности выгорания сажи нссж и радиационного теплообмена wрсж, уменьшаются примерно в 4 раза. В общей сложности неиспользование теплоты равно 12,7 - 5,84 = 6,86 %, а снижение суммы нссж + wрсж = 2,5%, что составляет почти 40 %. Выводы 1. При проведении математического моделиро-вания влияния степени использования воздушного заряда цилиндра на процесс сажевыделения необхо-димо задавать взаимосвязанное изменение функций х(), в() и (), в противном случае анализ будет неполным и неточным. 2. Показано, что при увеличе-нии степени использования воздушного заряда ци-линдра (рост коэффициента вo с 0,2 до 1), максималь-ное содержание сажи в цикле Cmax снижается более чем на 20 %, а на выхлопе Сr  на 30-40 %. 3. Количе-ство теплоты, выделившейся от выгорания сажи хс, достигает величины 25 %, зависит от качества органи-зации рабочего процесса и уменьшается до 9 % с уве-личением коэффициента вo; КПД использования теп-лоты выгорания сажи изменяется в диапазоне iсж = 0,25...0,40, возрастает с увеличением коэффициента вo и уменьшением теплоты выгорания сажи. 4. Ана-лизом индикаторного КПД вскрыты причины его из-менения и установлено существование потенциальной возможности его увеличения на 6...8 % за счет сниже-ния всех составляющих неиспользования теплоты в цикле и главным образом за счет уменьшения несвое-временности выгорания сажи нссж и потерь от радиа-ционного теплообмена wрсж. Список литературы 1. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. – Харьков: Виш. шк., 1980. – 169 с. 2. Матиевский Д.Д. Анализ экономич-ности использования тепла в расчетном цикле ДВС // Изв. вузов. Машиностроение. – 1981. – № 8. – С. 71 – 74. 3. Батурин С.А. Физические основы и матема-тическое моделирование процессов результирующе-го сажевыделения и теплового излучения в дизелях. Дисс.... докт. техн. наук. – Л., 1982. – 357 с. 4. Ма-тиевский Д.Д., Дудкин В.И., Батурин С.А. Участие сажи в рабочем цикле дизеля и индикаторный КПД // Двигателестроение. – 1983. – №3. – С. 54 – 56. 5. Матиевский Д.Д. Метод анализа индикаторного КПД рабочего цикла двигателя // Двигателестрое-ние. – 1984. – № 8. – С. 7 – 11.       

Влияние степени эффективного использования воздушного заряда цилиндра дизеля на сажевыделение и индикаторный КПД

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/898/1/DVS_2004_2_Matievskiy_Vliyanie%20stepeni.PDF

Влияние степени эффективного использования воздушного заряда цилиндра дизеля на сажевыделение и индикаторный КПД

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository