4.3 Расчетная индикаторная диаграмма давления и характеристика тепловыделения при добавках водорода в ТВС
Для определения особенностей процесса сгорания при добавке водорода в ТВС было оценено влияния водорода на характеристику тепловыделения. Экспериментально были определены показатели характера сгорания для каждого исследуемого режима.
Показатель характера сгорания подбирался по экспериментальным данным таким образом, что формы расчетного давления соответствовала форме давления полученного интегрированием сигнала с магнитострикционного датчика. На рисунке 4.16 приведена схема определения показателя сгорания m для каждого исследуемого режима работы. Характеристика тепловыделения полученная И.И. Вибе, однозначно определяет протекание процесса сгорания, если известно два параметра продолжительность сгорания tz и показатель характера сгорания т. (4.17)1п(1-*г)
Z = l~e
/ \m + l
JL
K получены по экспериментальным данным, однозначно строится характеристика тепловыделения и определяется показатель характера сгорания т. Угол ПКВ от HMT, градусы Рисунок 4.16 - Определение показателя характера сгорания ш, характеристики тепловыделения с использованием экспериментальных данных. 4.3.1 Эмпирическая зависимость показателя характера сгорания при добавке водорода в ТВС Математическое моделирование рабочего процесса в процессе конструирования и доводки требует определения характеристик процесса сгорания на стадии инженерной проработки проекта, для этого необходимо получить полуэмпирические формулы основных величин определяющих процесс сгорания: скорость распространения пламени и характеристику тепловыделения для определенной формы камеры сгорания. зе сгорания, а также характеристики тепловыделения, как основную характеристику процесса сгорания. Как отмечалось ранее, характеристика тепловыделения определяется двумя основными параметрами, продолжительностью сгорания и показателем характера сгорания. В статьях [4, 6, 12] показана возможность оценки показателя характера сгорания по электропроводности пламени, которая отражает интенсивность протекания горения во фронте пламени, учитывая влияние режимных параметров работы и физико-химических свойств смеси. В связи с тем, что амплитуда сигнала ионного тока имеет наибольшую погрешность при её измерении, было принято решение определять взаимосвязь показателя характера сгорания не с амплитудой сигнала, а со средней скоростью распространения пламени и режимными параметрами работы двигателя. т = (4.18) где V0CH - средняя скорость распространения пламени в основной фазе сгорания; Un - средняя скорость поршня; Vq - Объем камеры в момент подачи искры; Va - полный объем цилиндра; а - коэффициент избытка воздуха. Полученная формула для показателя сгорания учитывает в себе следующие параметры, влияющие на изменение показателя характера сгорания: V0CH - средняя скорость распространения пламени в основной фазе сгорания, влияет на относительное время максимума скорости тепловыделения; Un - средняя скорость поршня, учитывает влияние скоростного режима работы, определяет интенсивность турбулентности ТВС влияющая на протекание первой и второй фазы сгорания; У в /Va - отношение объем камеры в момент подачи искры к полному объему цилиндра, характеризует начальные условия для воспламенения смеси, учиты- В результате математической обработки результатов экспериментов показателя характера сгорания для двигателя УИТ-85, было получено, что он зависит от скоростного режима, угла опережения зажигания, степени сжатия, состава смеси а, и скорости распространения пламени в основной фазе, которая во многом зависит от свойств ТВС. При математическом анализе полученных данных в программе MathCAD 2001 была получена полуэмпирическая зависимость с учетом особенностей процесса сгорания при добавке водорода в ТВС, определяющая показатель характера сгорания. вает влияние степени сжатия и угла опережения зажигания на скорость распространения пламени в первой и второй фазе; а - коэффициент избытка воздуха, учитывает влияние состава смеси на скорость пламени при изменении режимных параметров работы двигателя: УОЗ, частоты вращения, степени сжатия. Проверка адекватности полученной формулы для показателя характера сгорания На рисунках 4.17, 4.18 показаны экспериментальные данные и данные, полученные по формуле 4.18, для различных углов опережения зажигания, скоростных режимов работы двигателя и добавок водорода в ТВС. 5,5 г 1 г—| 1 I —г О 600-13 формула ' ¦ 600-13эксперимент' ] 2 Of д 900-13 формула 45 т д 900-13 эксперимент* ? 900-26 формула I 4 т ? 900-26 эксперимент } Ј ? 900-9 формула ' 3,5 ! а 900-9 эксперимент JO
1 4 1,3 1 5 1,2 а 3 ' - Оа 2,5 ! 2 т 09
Рисунок 4 17 - Зависимость показателя характера сгорания m от состава смеси а, угла опережения зажигания и скоростного режима работы. На рисунке 4.17 представлено сравнение расчетных данных полученных по формуле 4.18 с экспериментальными данными показателя характера сгорания, для режимов работы 600 и 900 мин"1, У03=13° и 19° ПКВ, без добавки водорода. На рисунке 4.18 приведены расчетные и экспериментальные значения показателя характера сгорания, для скоростного режима 900 мин"1, У03=13° ПКВ, с добавкой водорода до 6% от массы топлива. В среднем расхождение расчетных значений с экспериментальными составляет менее 3%, так при а близких к стехиометрическим это составляет 1%, а при а близких к 1.4 - уже 4%. Максимальное расхождение не превышает 6%. Рисунок 4.18 - Зависимость показателя характера сгорания ш от состава смеси а и добавки водорода, до 6% от массы топлива: режим работы п = 900 мин'1, УОЗ = 13° ПКВ.; точки - экспериментальные данные, крестики - получено по формуле. Полученная эмпирическая зависимость имеет высокую сходимость с экспериментальными данными. Так сравнение относительного изменения показателя характера сгорания, полученные И.И. Вибе (рисунок 4.19) с результатами расчета показало, что полученные математические формулы практически точно учитывают влияние, изменения угла опережения зажигания, скоростного режима работы, состава смеси а. Причем разница в результатах не превышала 6%. Таким образом, эмпирическая формула показателя характера сгорания, показала удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными, при изменении скоростного режима работы, УОЗ и изменении состава смеси по а и добавкам водорода.
m
О - г 3,4 3,2 3 т— 2,8 26 2,4
0,9 1,1 1,2 1,3 0,8
а Рисунок 4.19 - Сравнение расчетных и экспериментальных значений показателя характера сгорания ш представленных И.И. Вибе. Использование полученной зависимости позволит на стадии проектирования с минимальным числом экспериментов определять показатель характера сгорания, а, следовательно, и характеристику тепловыделения с учетом особенностей сгорания при добавке водорода в ТВС и изменении режимных параметров работы двигателя. Что позволит еще на стадии проектирования и доводки определять мощностные показатели работы двигателя.