Ramanaiah, G. V.

Sitkei, György

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Periodica Polytechnica (Budapest University of Technology and Economics)

DAS STRAHLUNGSVERMÖGEN DER DIESELMOTORISCHEN FLAMME Von G. SITKEI und G. V. RA:\IANAIAH Lehrstuhl für Landmaschinenbau. Technische Universität, Budapest (Eingegangen am 10. September, 1971) Vorgelegt von Prof. A. ZALKA Bisherige Untersuchungen Der erhebliche Einfluß der Flammenstrahlung auf die Wärmebelastung des Dieselmotors wurde in verschiedenen Untersuchungen mehrmals beobach-tet. Es wurde aber kaum versucht, das Strahlungsvermögen der diesemotori-schen Flamme in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel versuchsmäßig zu bestimmen und ein neues Strahlungs glied in die Rechnungsmethoden ein-zuschalten. Zuerst wurden von BELINSKIJ [1] direkte Messungen an einem Ein-zylindermotor mit direkter Einspritzung durchgeführt, bei denen er die Ver-teilung der gesamten ausgestrahlten Energie in Abhängigkeit von dem Kurbel-winkel bei verschiedenen Belastungen maß. Bedauerlicherweise wurde aber der Schwärzegrad der Flamme bei diesen Messungen nicht berechnet und dadurch wurden die theoretisch angegebenen Werte des Schwärzegrades nicht bestätigt. Vom Verfasser "mrden aus den Meßergebnissen von BELINSKIJ die Schwärzegrade berechnet und die Ergebnisse mit den theoretischen Werten von BELINSKIJ zusammen in Abb. 1 dargestellt. Wie man sieht, weichen die Kurven erheblich voneinander ab. Laut der Meßergebnisse von BELINSKIJ werden 20-25% der Gesamt-wärme durch Flammenstrahlung ins Kühlwasser übertragen. Später haben EBERsoLE, MYERS und UYEHARA [2] Strahlungsmessungen durchgeführt, wobei sie das Verhältnis der Strahlungsenergie zu der gesamten übertragenen Wärmemenge mit speziellen Strahlungsmeßelementen bestimm-ten. Die Meßergebnisse sind in Abb. 2 wiedergegeben. Hier erkennt man wieder, daß die durch Flammenstrahlung übertragene Wärmemenge 20-30% der gesamten ins Kühl"wasser übertragenen Wärmemenge ausmacht. Aus diesen Meßergebnissen kann der Schwärzegrad der Flamme überhaupt nicht berechnet werden und die Anwendung der Meßergebnisse auf andere Motoren ist ziemlich schwierig. 1* 112 G. SITKEI und G. RAMANAIAH 0,18 ,-.--- -e- - - -,-----.---[, o 20 40 60 80 100 120 140 160 180 °KW ---I ~3r---~?'~~-+--~----r---~----r---+--~--~ Q2 QII---t-t--o -10 o 5 10 3D 40 50 60 70 80 90 °KW Abb. 1. Theoretische Schwärzegrade von BELINSKIJ (a) und Schwärzegrade aus den Meßergeb-nissen von BELINSKIJ berechnet (b). 1 -- Be = 2,0 kpjh (Leerlauf); 2 -- Be = 3,8 kpjh; 3-Be = 5,5 kp/h; 4 -- Be = 8,4 kp/h: 5 -- Be = 10 kpjh (Vollast) JO Brennstoff t1eßoberflächel • Diesel rußig 1-11---+--+----'-#'-:.>""-1 o Diesel rein ! C/) Heptan rujJig 121 Heptan 10r--i--=7~~~~~~_t---r---t_~1 1 O~~ __ ~ __ ~~L_~ __ ~ __ ~ __ ~ __ Io 10 m ~ w ~ w W W M Belastung, % Abb. 2. Dai Verhältnis der Strahlungsenergie zu der gesamten übertragenen Wärmemenge in Abhängigkeit von der Belastung [2] STRAHL USGS VER.\IÖCKV 113 Theoretische iJberlegungen Die Untersuchungen von BELINSKIJ [1] haben also gezeigt, daß sich das Verhältnis der Gastemperatur T g zu der Flammentemperatur TF in Abhängig-keit von der Boltzmann-Zahl bei gasölgefeuerten Kesseln und Dieselmotoren in ganz ähnlicher Weise ändert. Das bedeutet, daß man die bei gasölgefeuerten Kesseln gefundenen Ergebnisse in erster Annäherung auch auf Dieselmotoren anwenden darf. Für graustrahlende Körper ist die ausgestrahlte Energie bei gegebener Temperatur '" E = J Ei . • Eu,:, di. o wo Ci. - der spektrale Schwärzegrad ist. Der spektrale Schwärzegrad ist durch die folgende Gleichung gegeben: Ci. = 1 - e-k)J wobei k). - Koeffizient, der die Schwächung bzw. _!\hsorption der Wärme-strahlen beim Durchgang durch irgendein Medium charak-terisiert, die Dicke der Flammenschicht ist. Der Koeffizient 1.-,. hängt von der WeHenlänge ab: im Bereiche des sichtbaren Lichtes ist während im Bereiche der infraroten Strahlung k. = c . ;-(n-m-lgi.j I. . gilt, wo i. die Wellenlänge bedeutet und c, n und m Konstanten sind. Der Koeffizient ki. ist eine Funktion der Temperatur des Mediums, des Durchmessers und der Konzentration der Kohle- und Rußpartikeln. Auf Grund der bisherigen Untersuchungen ändert sich die Konzentration der Rußteilchen zwischen 0,2-1,0 gjm3, mit einem Durchmesserbereich zwischen 20-100 m,u, wobei der Medianwert in der Nähe der unteren Grenze liegt. Eine Rechnungsmethode, bei der der spektrale Schwärzegrad in Abhän-gigkeit von der Wellenlänge integriert werden muß, scheint heute für praktische Zwecke unsicher und kompliziert zu sein. Es ist zweckmäßig, an Stelle des spektralen Schwärzegrades d~ssen Integralwert anzuwenden, wodurch die Rechnung viel einfacher wird. Der Integralwert des Schwärzegrades ist bei einem gegebenen Druck p durch die Beziehung (1) 114 G. SITKEI und G. R.-DlA.'\'AIAH gegeben, wobei Co - der Schwärzegrad der unendlich dicken Flammenschichte (mit einem Wert von 0,8 für Gasöl) ist. Auf Grund von GI. (1) hat der Verfasser die an einem gasölgefeuerten Kessel gewonnenen Meßergebnisse von TERENTJEW [3] bearbeitet und für den Koeffizienten k ergab sich der 'Wert von 1,8"'J 2,0 in dem für uns in Frage kommenden Temperaturbereich. Der obige k-Wert gilt für stationäre Flammen. In Dieselmotoren ändern sich aber das relative Volumen und die Struktur der Flamme in Abhängigkeit von dem KurbelwinkeL Das bedeutet, daß man entweder keinen konstanten k-Wert benutzen darf, oder wenigstens die Volumenänderung der Flamme berücksichtigen muß. Letzteres ermöglichte dem Verfasser früher eine Rech-nungsmethode zu entwickeln [4]. Bei dieser Rechnungsmethode wurde angenommen, daß der 1"-Wert in erster Annäherunll: in dem Maße verringert werden muß, wie sich der wirkliche Rauminhalt der Flamme zum ganzen Verbrennungsraum im gegebenen Zeit-punkt verhält. Damit 'wurde der scheinbare Schwärzegrad der Flamme in der Form f" = X· c' Cw (2) geschrieben, wobei x der relative Rauminhalt der Flamme zur gegebenen Zeit, 1"", der Schwärzegrad der Wand (mit dem angenommenen Wert von 0,9) ist. Der Wert von x ändert sich entlang des Hubes; das Maximum wird am Anfang der Verbrennung erreicht. In erster Annäherung kann angenommen OI 20.0 40.0 60. 0 80.0 Abb. 3. Relativer Rauminhalt der Flamme als Funktion des Kurbelwinkels. 2 - 1/3 Ne: 3 - 213 Ne: 4 - Vollast 1 x[%) 50. 40. 30 20. 10. 0 Leerlauf: STRAHLUiYGSVERMÖGEiV 115 werden, daß x der Massengeschwindigkeit der Verbrennung proportional ist (Abb.3). Mit Hilfe der hier gezeigten Rechnungsmethode wurde der Schwärzegrad der Flamme und die durch Flammenstrahlung übertragene Wärmemenge für einen Steyr Dieselmotor berechnet (Abb. 4 und 5). Aus den Rechnungsergebnissen geht hervor, daß die obige theoretische Methode ganz annehmhare Resultate liefert. Der Verlauf der .s-Kurven ist ähnlich, wie die durch Messungen ermittelten Kurven in Abb. 1, und die errechneten Werte von QF machten 20-25% der gesamten ins Kühlwasser übertragenen Wärmemenge bei Vollast aus. 0,3 [' Ne= 0 2 1/3 Ne 0.2 3 2/3 Ne 1/1 Ne 0.1 o Abb. 4. Schwärzegrad der Flamme in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel Qr 14.103 Kcal/h 12 1 Ne= 0 2 1/JNe 3 2/JNe 1/1 Ne 10 8 6 4 2 0 0.7. tOO O 120 0 °KW Abb. 5. Die durch Flammen- und Gasstrahlung übertragene Wärmemenge als Funktion des Kurbelwinkels 116 G. SIT~E[ !md G. RA.\fANAIAH Diese Rechnungsmethode wurde aber durch direkte Messungen nicht bestätigt. Daher setzten wir uns zum Ziele, das Strahlungsvermögen der Flamme versuchsmäßig zu bestimmen. Versuchseinrichtung Ein Einzylinder-Versuchsmotor (Bauart Steyr, Bohrung llO mm, Hub 140 mm, Verdichtungsverhältnis 18, Drehzahlhereich 1000-1800 UjMin) wurde für die Messungen vorbereitet. Es 'wurde ein geeigneter Zylinderkopf mit Wirbelkammer geschweißt ausgeführt und die \Virbelkammer konnte beiderseitig mit Quarzfenster versehen werden. Die Gemischbildungsqualität in der \,;cirbdkammer war ganz annehmbar und die Rauchgrenze des Motors lag bei Pe = 6,0 kpjcm2• Um die Verteilung der Flammenstrahlung in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel messen zu können, wurde ein mechanischer Stroboskop zwischen dem Quarzfenster und dem Foster Strahlungsmesser angebracht. Die Stro-boskop-Scheibe hatte einen Öffnungsquerschnitt, der einer Öffnungsperiode von 10° K\';i entsprach. Die Öffnungszeit konnte einfach umgestellt werden. Die Versuchseinrichtung ist in Abb. 6 zu sehen. Die Meßsignalt- wurden an einem Kathodenstrahloszilloskop sichtbar gemacht und die Amplituden abgelesen. Die Eichung der Meßeinrichtung erfolgte mit einer Cambridgt- Pyrometer-Eichlampe, zusammen mit der Stro-boskop-Scheibe. Die Eichkurve ist in Abb. 7 wiedergegeben. Die Rußbildung auf der Fenster-Oberfläche hat einen "wesentlichen Ein-fluß auf die registrierbaren Meßwerte. Wir haben aber gefunden, daß bei größe-ren Belastungen auf der Quarzoberfläche keine wesentliche Rußbildung ent-stand. Die Meßwerte für kleinere Belastungen wurden immer nach einem längeren Lauf bei Vollast schnell aufgenommen. Mit dem Foster Strahlungsmesser wurde die Temperatur eines schwarzen Körpers gemessen, dessen Strahlungsvermögen gleich dem der untersuchten Flamme ist. D. h. es gilt der folgende Zusammenhang: (J oT~ = I'(J oT~ oder (3) wobei Tb - die gemessene schwarze Temperatur °K, T F die Temperatur der Flamme °K ist. Zur Bearbeitung der Meßergebnisse benötigte man die Temperatur der Flamme in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel. Die Flammentemperaturmessun-gen von BELI;>iSKIJ [1] und MYERS-UYEHARA [5] zeigten, daß die Flammen-temperatur von der Belastung wenig abhängt und die Flammentemperaturen STRAHLuscsrER.UÖCES Abb. 6. Versuchseinrichtung 1: 'E: g. tii 't0 1-----:----;----;-"7"""'-'-------", ~J:? ,g -S 20 f-----;---::7"""'---;--~-----­'N ~ V) ::J Cl«: Ot::::.._-'-_-'-_-'-_--'-_-'-_-L_--' 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 Tt" oe Abb. 7. Die Eichkurve des Strahlungsmessers 2200 f--;-----j---t- -!--.--+---;--r--"'-I 2000~~ __ ~ __ ~ __ ~~ __ ~ __ ~ __ ~~ o 10 20 30 't0 50 60 70 80 90 °KW 117 Abb. 8. Die Temperatur der Flamme in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel. 1 - Leerlauf: 2 - halbe Belastung; 3 Vollast m den verschiedenen Motoren beinahe dieselben sind. Daher wurden die Meßergebnisse von BELINSKIJ (Abb. 8) zur Bearbeitung unserer Meßdaten angenommen . . _. _ ... - _ .. _-----_. - ----_ .. _-_.- - .. _-_ ... - ._--_. __ ._-_._. _ .. - .... _. ---_ ... _- ._- ..... _ .....•.. _.- .. -.. _. __ ... _ .... 118 G. SITKEI und G. RA-'IANAIAH Meßergehnisse Die Messungen wurden bei verschiedenen Belastungen in Abhängigkeit von der Kurbelstellung durchgeführt. Die Drehzahl des Motors betrug IlOO UjMin. Eine höhere Drehzahl verursachte keine wesentliche ~4.nderung im Strahlungsvermögen der Flamme, vorausgesetzt, daß sich die Gemischbil-dungsqualität nicht änderte. Die Änderung des Sch'wärzegrades ist in Abhängigkeit von dem Kurbel-winkel bzw. der Belastung in Abb. 9 und 10 zu sehen. Diese Werte gelten für die Wirbelkammer mit einem konstanten Strahlungsweg von 1 = 2,6 cm. 0,11---H-20 40 60 80 100 °K'w Abb. 9. Der Schwärzegrad der Flamme in der Wirbelkammer in Abhängigkeit von dem Kurbel-winkel Bei unseren Versuchen wurde das Strahlungsvermögen der Flamme in der Wirbelkammer gemessen, wo die örtliche Luftüberschußzahl niedriger ist als die mittlere Luftüberschußzahl auf den ganzen Verbrennungsraum bezogen. Daher wurden die örtlichen Luftüberschußzahlen der Wirbelkammer berechnet und die Meßergebnisse abhängig von dieser Luftüberschußzahl dargestellt (Abb. ll). Wie man sieht, hat die Luftüberschußzahl einen wesentlichen Einfluß auf das Strahlungsvermögen der Flamme. Der größte Wert für e ergab sich bei Luftüberschußzahlen von 1,0-1,2 in Abhängigkeit von der Kurbelstellung. Mit zunehmendem Luftmangel ,Vird das Strahlungsvermögen immer kleiner. Diese Erscheinung ist dadurch zu erklären, daß die Absorption der nicht-verbrannten Zwischenprodukte zunimmt. STRAHL [j SGS VER.UÖGES 119 Im weiteren wurden die k-Werte auf Grund von GI. (1) berechnet und in A.bhängigkeit von der Luftüberschußzahl dargestellt (Abb. 12). Aus dieser Darstellung können die k-Werte für beliebige Luftüberschußzahlen abgelesen und eine andere Darstellung in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel kon-struiert werden. A.bb.13 zeigt die Xnderung der k-'Werte in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel für verschiedene in der Praxis vorkommende Luftüberschuß-zahlen. o aq~~~~~~~~--~~ o L-~~ __ ~~~~~ __ L-~ o 2 3 5 fi Pe, kpjcm2 Abb. 10. Der Schwärzegrad der Flamme in der Wirbelkammer in Abhängigkeit von der Belastung L= 2,6 cm o 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 rx Abb. 11. Der Schwärzegrad der Flanllne in der Wirbelkammer als Funktion der Luftüber-schußzahl 120 G. SITKEI und G. RA.UA.YAIAH k 0,8 60° 0,6 ltOo -700 300 D,lt 20,0 100 0.2 ... 00 0 0,6 1.0 I,Y 1,8 2,2 2.6 3.0 C( Abb. 12. Die Anderullg der k-\\'erte in Abhängigkeit \"on der Luftüberschußzahl o o 20 40 60 Abb. 13. Die Anderung der k- \Verte als Funktion des Kurbelwinkels für verschiedene Luft· überschußzahlen ............................. _ .................. _.- ... _._._--_._--121 Rechnnngsmethode Die durch Flammenstrahlung übertragene Wärmemenge kann mit dem wohlbekannten Zusammenhang berechnet werden: ~c(j F [ ( T. )4 ..:.. 0 100 (4) Der c-Wert soll aus GI. (1) unter Anwendung der Abb. 12 berechnet werden. Die Flammentemperatur ist aus Ahb.8 zu entnehmen. Es ist zweckmäßig, die Rechnungen für die Haupt- und Nebenbrennräume getrennt durchzu-führen. Die mittlere Strahllänge (l) im Brennraum läßt sich - wie im allgemei-nen - aus der Formel berechnen, wobei v - der momentane Rauminhalt des Brennraumes, F - die momentane Oberfläche des Brennraumes ist. Es ist hier noch zu bemerken, daß das verwendete Quarzfenster im Empfindlichkeitsbereich des Strahlungsmessers eine Durchlässigkeit von 90-91 % hatte. Das bedeutet, daß die hier angegebenen c-Werte um 10% kleiner sind als die effektiven Werte. Wenn man aber berücksichtigt, daß der Schwärzegrad der Wand etwa 0,9 ist, werden die beiden Wirkungen aus-geglichen. In Fällen, wenn der Schwärzegrad der Wand kleiner als 0,9 ist (z. B. für Zylinderbüchse mit Ölfilm), müssen die beiden obengenannten Wirkungen getrennt in Betracht genommen werden. Die hier gezeigten Ergebnisse tragen wesentlich dazu bei, die bisherige Rechnungsmethode zur Bestimmung des Wärmeüberganges in Dieselmotoren zu vervollkommnen. Zusammenfassung Es liegen heute sehr wenig direkte Messungen über das Strahlungsvermögen der diesel-motorischen Flamme vor. Von Verfassern wurden an einem Einzylinder-Versuchsmotor mit großem Quarzfenster :Messungen durchgeführt, bei denen die Strahlungsintensität der Flamme in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel mit einem hochempfindlichen elektronischen Strahlungs-messer registriert wurde. Die Messungen zeigten, daß die Flammenstrahlung einen wesentlichen Anteil der gesamten in das Kühlwasser übertragenen Wärmemenge ausmacht. Eine andere wesentliche Beobachtung ist, daß die Flammenstrahlung auch von der Gemischbildungsqualität erheblich abhängt. 122 G. SITKEI und G. RA.UA.YAIAH Literatur 1. BELIl"SKIJ, L.: Wärmestrahlung im Verbrennungsraum des Dieselmotors. Schriftensamm-lung NILD, No. 1, 1955. 2. EBERsoLE, G. et a1.: The radiant and convective components of Diesel engine heat transfer. Paper No. 701C, Int. Summer Meeting, Montreal, 1963. 3. MITOR, V.: Wärmeübertragung in Dampfkesseln. Moskau, 1963. 4. SITKEI, G.: Einige Berechnungsprobleme des Wärmeüberganges und der Wärmebelastung in Vorkammer-Dieselmotoren. Acta Technica Acad. Sei. Hung. 58, 301-312 (1967). 5. UYEHARA, O. and P. MYERS: Diesel combustion temperatures. Influence of fuels. SAE Trans. 3, 178 -186 (1949). 6. SITKEI, G.: Beitrag zur Theorie des Wärmeüberganges im ~lotor. Konstruktion 14, 67-71 (1962). Dr. György SITKEI, Budapest XI., Bertalau L. u. 1. Ungarn. Dr. G. V. RA::VIANAIAH, Central Mechanical Engineering Research Institute, Durgapur-9. India 

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