ASSESSMENT OF THE RATE OF HEAT RELEASE AND THE LEVEL OF HEAT LOSSES IN THE MARINE ENGINE USING THE EXPERIMENTAL INDICATOR CHART
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Department "Shipbuilding and energy complexes of marine equipment", Professor)
Russian Federation
Russian Federation
2.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 65
to 73
Status:
Published
Received:
20.02.2015
Accepted:
25.02.2015
Published:
25.02.2015
Subject area:
UDK [621.43.05.001.24:621.43.016.4]:629.5.004.18
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
experimental indicator chart, procedure, combustion, ignition dwell angle, combustion duration, combustion characteristics, index, working procedure
Abstract (English):
The characteristics of the combustion process of marine diesel were determined using the experimental indicator chart. The schemes of the analysis of the combustion process in the marine engine were provided for the assessment of the rate of heat release and the level of heat losses using the experimental indicator chart. The paper considers the results of the calculations for the ship engine 2Ч 9.5/11 with the combined mixing and the positive ignition. On the basis of the calculations we can provide for disclosure of the effect of the most two important parameters of the combustion process: the conventional relative combustion duration and the combustion characteristics at different ignition dwell angles. Using the experimental indicator chart it is possible to estimate the effect of the type of fuel, the way of mixing, the type of the combustion chamber and other factors on the parameters of the combustion process and the indicators of the working procedure in the marine engine.
The characteristics of the combustion process of marine diesel were determined using the experimental indicator chart. The schemes of the analysis of the combustion process in the marine engine were provided for the assessment of the rate of heat release and the level of heat losses using the experimental indicator chart. The paper considers the results of the calculations for the ship engine 2Ч 9.5/11 with the combined mixing and the positive ignition. On the basis of the calculations we can provide for disclosure of the effect of the most two important parameters of the combustion process: the conventional relative combustion duration and the combustion characteristics at different ignition dwell angles. Using the experimental indicator chart it is possible to estimate the effect of the type of fuel, the way of mixing, the type of the combustion chamber and other factors on the parameters of the combustion process and the indicators of the working procedure in the marine engine.
Keywords:
experimental indicator chart, procedure, combustion, ignition dwell angle, combustion duration, combustion characteristics, index, working procedure
experimental indicator chart, procedure, combustion, ignition dwell angle, combustion duration, combustion characteristics, index, working procedure
Введение Индикаторная диаграмма, снятая с работающего двигателя, дает много важных сведений. Непосредственно по индикаторной диаграмме находится максимальное давление газов рz. Если на диаграмме записано изменение давления газов р в зависимости от угла поворота коленчатого вала φ, то легко определяется средняя dp/dφ и максимальная ωpmax скорость нарастания давления газов. Оба показателя позволяют оценить механическую и динамическую напряженность основных деталей кривошипно-шатунного механизма. Зная величину давления газов рz, обусловливающую величину нормального давления поршня на стенку цилиндра, можно оценить влияние фактора трения и, следовательно, степень износа двигателя [1]. Перенос индикаторной диаграммы (p-φ) в координатную систему давление-объем (р-V) позволяет планиметрированием определить индикаторную работу, а уже по ней такие важные показатели удельной работы и экономичности рабочего цикла двигателя, как среднее индикаторное давление и индикаторный расход топлива. Зная эффективную мощность, развиваемую двигателем, можно найти величину механических потерь двигателя. Однако это не все сведения, которые можно получить на основании анализа данных индикаторной диаграммы. Так, например, специальной обработкой выявляется так называемая характеристика тепловыделения, по которой можно судить о динамике процесса сгорания, т. е. о развертывании процесса сгорания во времени и о тепловых потерях в течение процесса сгорания. Характеристика тепловыделения является одной из существенных сторон процесса сгорания в двигателях. В полном соответствии с положением о том, что сущность процессов не выступает на поверхности, а скрыта от прямого наблюдения, характеристика тепловыделения не может быть получена непосредственно из индикаторной диаграммы. Ее можно получить только в результате математической обработки данных диаграммы с использованием основных законов термодинамики и механики, поэтому характеристика тепловыделения является трудноопределяемым показателем работы двигателя. Зато выявление этой характеристики означает более глубокую ступень исследования и совершенно необходимо для улучшения рабочего цикла двигателя [1]. Принципы анализа процесса сгорания Найденная нами закономерность развития процесса сгорания во времени позволила анализировать характеристики сгорания, благодаря которому выявляются важные параметры процесса: продолжительность сгорания tz и показатель m, отражающий характер изменения во времени относительной плотности эффективных центров в процессе сгорания. Этим параметром однозначно определяется характер протекания процесса сгорания и поэтому он назван показателем характера сгорания. По формуле Вибе [1]: (1) где - условная продолжительность процесса сгорания; tm/tz - отвлеченное время сгорания. Из уравнения (1) видно, что каждому значению m соответствует одно определенное значение tm/tz. Уравнение раскрывает физический смысл показателя характера сгорания m. Если две величины однозначно зависимы друг от друга, то они могут отражать только одни и те же свойства рассматриваемого процесса. В данном случае показатель характера сгорания m однозначно определяет величину отвлеченного времени tm/tz, при котором скорость сгорания имеет максимум или ускорение сгорания равно нулю, с повышением m это время увеличивается. Но этим не исчерпывается характеристика параметра m. Уравнение Вибе для времени сгорания половинной доли топлива имеет вид [1]: Уравнение показывает, что m устанавливает также относительное время «полусгорания». Далее, для доли топлива xm, сгорающего к моменту максимума скорости сгорания, уравнение примет вид (2) Уравнение для наибольшей величины отвлеченной скорости сгорания [1]: (3) Отсюда следует, что одному значению величины параметра m соответствуют определенные значения четырех величин: отвлеченного времени максимума скорости сгорания tm/tz (оно же время положительного ускорения процесса сгорания); отвлеченного времени «полусгорания» ; доли топлива , сгорающего к моменту максимума скорости сгорания или окончания положительного ускорения процесса сгорания и наибольшей отвлеченной скорости сгорания ω0мах. Параметр m связан с фактом жесткой работы двигателей. Величина параметра m позволяет довольно точно оценить процесс сгорания с качественной стороны. Параметр имеет также большое значение, позволяя судить одновременно о длительности и средней скорости реакции. , из чего следует, что средняя скорость реакция обратно пропорциональна ее условной продолжительности. Можно приписать параметру смысл количественной кинетической константы реакции. Накопленые данные по параметрам процесса сгорания и выявление их связи с конструктивными и эксплуатационными факторами, а также с родом и сортом топлива, позволяют направленно воздействовать на характеристику тепловыделения и, следовательно, осуществить в двигателе оптимальный рабочий цикл. В [2, 3] рассматриваются определения параметров процесса сгорания на основе обработки экспериментальной индикаторной диаграммы судового двигателя, работающего на основе принципа комбинированного смесеобразования с принудительным воспламенением рабочей смеси. Методика расчета процесса сгорания По развернутой диаграмме выбираем на линии сгорания четыре точки - 1, 2, 3 и 4 (рис. 1). Рис. 1. Диаграмма к методу анализа процесса сгорания: φy - угол опережения зажигания; φd - угол поворота коленчатого вала, считая от момента воспламенения до момента достижения давления максимальной величины Средняя быстрота нарастания давления определяется по формуле , где - давление в момент воспламенения. Уравнение Вибе [1] для интервала процесса сгорания точек 1, 2: (4) где φy - угол опережения зажигания; K1-2 φd - угол поворота коленчатого вала, считая от момента воспламенения до момента достижения давления максимальной величины. Если выбранная на линии сгорания точка 2 совпадает с верхней мёртвой точкой (в. м. т.), то уравнение (4) запишется как (5) Вычислив левую часть уравнения (4), (5), методом пробных подстановок можно определить показатели характера сгорания m. Аналогично предыдущему, напишем уравнение для интервала процесса сгорания точек 3, 4: Используя последнее уравнение, программой Mathcad находим продолжительность сгорания φz. Расчет процесса сгорания судового ДВС 2Ч 9,5/11 с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением [2-6] Для анализа процесса сгорания была использована экспериментальная индикаторная диаграмма (рис. 2), снятая с судового дизеля 2Ч 9,5/11, который имел следующие параметры: d = 95 мм; S = 110 мм; , угол опережения подачи искры составлял φy = 21º, частота вращения коленчатого вала n = 1 500. Рис. 2. Экспериментальная индикаторная диаграмма двигателя с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением Из экспериментальной индикаторной диаграммы были получены следующие величины: рмах = 39,40; р4 = 35,2; р3 = 30,7; рс = 19,8; р1 = 15,8; рy = 13,91; φy= 21º; αp= 29º; α1 = 7,5º = 0,131 град; α2 = 5º = 0,087 град; α3 = 5º = 0,087 град; α3 = 7,5º = 0,131 град; φ1 = 13,5º = 0,236 град; φ2 = 16º = = 0,279 град; φ3 = 26º = 0,454 град; φ4 = 28,5º = 0,497 град; φy = 21º = 0,367 град; αp = 29º = 0,506 град; φd = 50º = 0,873 град. На рис. 3 приведена развёрнутая индикаторная диаграмма ДВС с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением (2Ч 9,5/11). Рис. 3. Диаграмма к методу анализа процесса сгорания для судового двигателя 2Ч 9,5/11 с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением Величина отношения теплоемкостей для большей части процесса сгорания была принята постоянной k = 1,30, таким образом Определим показатель характера сгорания t вторым методом. Предварительно находим функции по формулам . Аналогично , где - коэффициент использования теплоты; - постоянная кривошипно-шатунного механизма для 2Ч 9,5/11. По диаграмме αp = 29º = 0,506 град, получим . После соответствующих подстановок находим числовое значение левой части уравнения Вычисляем значения В, входящего в правую часть уравнения, по формуле , где , - отношение теплоемкостей в момент нахождения поршня в в. м. т. и в момент достижения давлением максимальной величины; - максимальное давление цикла, МПа; αp - угол поворота коленчатого вала, считая от момента воспламенения до момента достижения давления максимальной величины; - быстрота нарастания давления в момент нахождения поршня в в. м. т. (тангенс угла наклона касательной в точке с), МПа/град. Значение можно определить по экспериментальной индикаторной диаграмме (тангенс угла наклона касательной в точке с): Подставляя значения в формуле, имеем . Подставляя в правую часть уравнения экспериментальной величины и значение В, получим выражение Решаем уравнение: получили m = 2,8. По формуле определяем продолжительность сгорания φz: , где - угол опережения воспламенения топлива; - угол поворота коленчатого вала, считая от момента воспламенения до момента достижения давления максимальной величины. Тогда и где - продолжительность сгорания. Заключение Анализ экспериментальной индикаторной диаграммы по предложенной методике позволил непосредственно определить параметры процесса сгорания, которые для исследованного рабочего цикла оказались равными m = 2,8 и = 64º поворота коленчатого вала. Уравнение (1) демонстрирует физический смысл показателя характера сгорания m. Параметр m связан с фактом жесткой работы двигателей. Величина параметра m позволяет довольно точно оценить процесс сгорания с качественной стороны. Определение параметров процесса сгорания по одной индикаторной диаграмме (для одного угла опережения воспламенения), можно предвидеть расчетом изменения давления и температуры газов в процессе сгорания для других углов опережения воспламенения. Параметры скорости процесса сгорания представляют собой константы, величины которых зависят от конкретных физико-химических условий осуществления процесса сгорания в двигателе. Поскольку параметрами скорости сгорания учитывается суммарное влияние этих физико-химических условий, они имеют сложную природу. В связи с этим одна из ближайших задач - это экспериментальное исследование рабочих циклов ДВС при самых разных условиях с целью выявления влияния отдельных физико-химических, а также конструктивных факторов на величину параметров скорости процесса сгорания. В первую очередь необходимо исследовать влияние на кинетические константы таких факторов, как степень сжатия, наддув, число оборотов двигателя, нагрузка, впрыск воды, род и сорт топлива, коэффициент избытка воздуха, угол опережения воспламенения (впрыскивания), род зажигания, расположение и число свечей, форма камеры сгорания, способ смесеобразования в дизелях (давление распыливания, форма струи, степень и характер завихрений воздуха, предварительный кратковременный впрыск) и др. На основании методики мы можем предусматривать раскрытие влияния на важнейшие показатели рабочего цикла двух параметров процесса сгорания: условной относительной продолжительности сгорания и характера сгорания m при разных углах опережения зажигания или воспламенения.
1. Kargin S. A. Teoreticheskoe obosnovanie i eksperimental'noe issledovanie rabochego processa sudovogo DVS s kombinirovannym smeseobrazovaniem i prinuditel'nym vosplameneniem: dis. kand. tehn. nauk / S. A. Kargin. Astrahan', 2006. 162 s.
2. Dorohov A. F. Analiz pokazateley rabochego cikla, poluchennyh raschetnym i eksperimental'nym putem, pri razlichnyh sposobah organizacii rabochego processa v DVS / A. F. Dorohov, S. A. Kargin, A. A. Isaev // Vestn. mashinostroeniya. 2007. № 2. S. 11-17.
3. Vibe I. I. Novoe o rabochem cikle dvigateley. Skorost' sgoraniya i rabochiy cikl dvigatelya / I. I. Vibe. M.: Mashgiz, 1962. 182 s.
4. Inozemcev N. V. Processy sgoraniya v dvigatelyah / N. V. Inozemcev, V. K. Koshkin. M.: Mashgiz. 1949. 343 s.
5. Dorohov A. F. Raschetnyy i eksperimental'nyy analiz pokazateley rabochego processa dlya razlichnyh sposobov organizacii rabochego processa v DVS / A. F. Dorohov, S. A. Kargin, A. P. Isaev // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. 2006. № 2 (31). S. 196-201.
6. Kargin S. A. Analiticheskoe i raschetnoe obosnovanie rabochego processa DVS s kombinirovannym smeseobrazovaniem i prinuditel'nym vosplameneniem / S. A. Kargin // Sb. tez. XV yubileynoy internet-konf. molodyh uchenyh, aspirantov i studentov po sovremennym problemam mashinovedeniya. Institut mashinovedeniya im. A. A. Blagonravova RAN, 2003.
