4.2.2 Полуэмпирическая формула средней скорости распространения пламени в основной фазе сгорания
В результате математической обработки результатов экспериментов полученных для двигателя УИТ-85, получено, что средние скорости пламени в «основной» фазе сгорания можно определить как турбулентное горение.
Поэтому для определения полуэмпирической формулы для средней скорости распространения пламени в основной фазе сгорания, была выбрана как базовая формула Дамкелера - Карловица 2 и'V,
г _
1-е
= \ + U
и
л
U
л где Vt - турбулентная скорость распространения пламени, Цп - ламинарная скорость распространения пламени, и - турбулентность потока.
Сгорание в третьей фазе протекает при воздействии мелкомасштабной турбулентности, близко по характеру к ламинарному сгоранию. Поэтому в качестве критерия оценки ламинарной скорости при получении математических зависимостей скорости распространения пламени во второй и основной фазах была принята средняя скорость распространения пламени в третьей фазе сгорания. А турбулентность потока пропорциональна числу частоты вращения, поэтому в качестве критерия оценки турбулентности потока была выбрана средняя скорость поршня, Un = $' ^/q } где S - ход поршня, п - частота вращения двигателя.
В программе MathCAD 2001 при обработке экспериментальных данных с учетом особенностей сгорания при добавке водорода в ТВС, была получена полуэмпирическая зависимость средней скорости распространения фронта пламени в основной фазе, учитывающая влияние свойств смеси и режимных параметров работы двигателя:
.-0,32475
2 С/,
И9
U (V
И,
П
1-Е
И П У <
1
(4.15)
ИГ
U-,
+1+
И, И,
УА.
где, V0CH - средняя скорость распространения пламени в основной фазе сгорания; U3 - средняя скорость пламени в третьей фазе сгорания; С/п - средняя скорость поршня; V& - объем камеры в момент подачи искры, Va - полный объем цилиндра.
Полученная зависимость для определения средней скорости распространения пламени в основной фазе сгорания учитывает влияние следующих параметров:
Un - средняя скорость поршня, учитывает влияние скоростного режима работы, определяет интенсивность турбулентности ТВС в процессе сгорания; У В ГЧЛ ~ отношение объема камеры сгорания в момент подачи искры к полному объему цилиндра, характеризует начальные условия для воспламенения смеси, учитывает влияние степени сжатия и угла опережения зажигания на скорость распространения пламени в основной фазе;
U3 - средняя скорость пламени в третьей фазе сгорания, учитывает влияние состава смеси, а и добавки водорода, на ламинарную скорость распространения пламени которая оказывает значительное влияние на турбулентную скорость распространения пламени в основной фазе сгорания, также средняя скорость пламени в третьей фазе оценивает степень расширение смеси при завершении основной фазы сгорания, т.е.
учитывает влияние изменения объема КС на протекание процесса сгорания.Проверка адекватности полученной формулы для скорости распространения пламени в основной фазе сгорания
На рисунках 4.11 и 4.12 показаны экспериментальные данные и данные, полученные по формуле 4.15, для различных углов опережения зажигания, скоростных режимов работы двигателя и добавок водорода в ТВС.
На рисунке 4.11 показана сходимость результатов экспериментов с результатами, полученными по полуэмпирической зависимости, для скоростного режима 900 мин'1, УОЗ = 22° ПКВ, с добавкой водорода до 6% от массы топлива. Из рисунка видно, что сходимость результатов хорошая, так для а от 1 до 1.2 разница результатов полученных по формуле с экспериментальными не превышает 4%, это составляет 0.8 м/с. При обеднении смеси от а =1.2, максимальный разброс между рассчитанными и экспериментальными значениями несколько возрастает до 7%, и составляет 1.2 м/с. Таким образом, результаты, полученные по формуле 4.15, ложатся в интервал погрешности полученной при обработке экспериментальных результатов измерения, который составляет до 4 - 6% для а от 1 до 1.2, и до 8-10% для а больше 1.3. В среднем расхождение расчетных и экспериментальных результатов для данного режима работы составило 2.8%), что составляет 0.4 м/с. Что говорит о хорошей сходимости зави-
симости с экспериментальными значениями средней скорости распространения пламени, для режима 900 мин"1, УОЗ = 22° ПКВ, с добавлением водорода до 6% от массы топлива.
На рисунке 4.12 представлено сравнение расчетных и экспериментальных данных для средней скорости распространения пламени в основной фазе, для 600 и 900 мин"1, и У03=13° ПКВ с добавкой водорода до 6% от массы топлива. Для режима 600 мин'1, У03=13° ПКВ наибольшее расхождение расчетных значений с экспериментальными наблюдается для стехиометрического состава смеси и составляет 8-10 %, составляющее 1.2 м/с, для более бедных смесей расхождение уменьшается до 3-5 % - 0.4 м/с. В среднем расхождение расчетных и экспериментальных результатов для данного режима работы составило 3.4% - 0.34 м/с.
Рассматривая режим 900 мин"1, У03=13° ПКВ видим, что расхождение результатов для всего рассматриваемого поля значений не превышает 4%, при а близких к 1 это составляет 0.83 м/с, а при а близких к 1.4 - 0.42 м/с. В среднем расхождение результатов составляет 1.5%, что говорит о практически полной сходимости расчетных значений с экспериментальными для данного режима работы.
Рисунок 4.11- Средняя скорость распространения пламени в основной фазе сгорания; частота вращения п = 900 мин'1, УОЗ=22° ПКВ, с добавкой водорода до 6% от массы топлива; точки - экспериментальные данные, крестики - получено по формуле.
а) б)
Рисунок 4.12 - Средняя скорость распространения пламени в основной фазе сгорания, для: а) частота вращения п = 600 мин"1, УОЗ = 13° ПКВ, с добавлением водорода до 6% от массы топлива, б) п = 900 мин"1, УОЗ = 13° ПКВ, с добавкой водорода до 6% от массы топлива; точки - экспериментальные данные, крестики - результат расчета, поверхность построена полиномом 2 степени по экспериментальным данным. а)
Была проведена оценка адекватности полученной зависимости для оценки средней скорости распространения пламени в основной фазе для другого двигателя. В работе Иноземцева приведены результаты экспериментального изучения процесса сгорания на одноцилиндровом четырехтактном карбюраторном двигателе с Г - образной камерой сгорания, и УОЗ = 55° ПКВ, степенью сжатия 5, рисунок 4.13. Были получены хорошие сходимости с экспериментальными данными.
б)
Рисунок 4.13 - Средняя скорость распространения пламени в основной фазе сгорания, по данным, полученным Иноземцевым и рассчитанные по полуэмпирической зависимости:
а) УОЗ =55° ПКВ, а =0.9, степень сжатия 5; б) УОЗ=55° ПКВ, частота вращения п = 1300 мин'1, степень сжатия 5.
Полученная полуэмпирическая зависимость имеет высокую сходимость с экспериментальными данными. Так сравнение относительного изменения средней скорости распространения пламени в основной фазе, полученные Иноземцевым с результатами расчета показало, что полученные математические зависимости практически точно учитывают влияние, изменения угла опережения зажигания, скоростного режима работы, состава смеси а. Что говорит о возможности применения полученных зависимостей на практике при проектировании и доводке ДВС.
Таким образом, полуэмпирическая формула для средней скорости распространения пламени в основной фазе сгорания, показала удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными, при изменении скоростного режима работы, УОЗ, состава смеси по а и добавкам водорода.