hıfelszabadulás törvényének meghatározása indikálás segítségével · 2011. 5. 2. · ide...

Hıfelszabadulás törvényének meghatározása

indikálás segítségével

Konzulens: Dr. Bereczky Ákos

Ide jön egy dq/dfi !

180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480Crank angel [deg]

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

dQ

/dfi

[J/d

eg

]

0

4

8

Vol

tage

[V]

End of Comb.

Start of Comb.

Virtualadiabata points

Adiabata point

CombustionDelay

Primer CoilVoltage

Heat Release

Adiabata PontLátszólagosAdiabatikus PontokHıközlés

Égés kezdet

Égés vége

Gyulladásikésedelem

Primer

feszültség

A hıfelszabadulást leíró termodinamikai modellek

A számításokhoz szükség van a motor adott fıtengely elfordulási szögéhez tartozó:

- hengertérfogat,

- hımérséklet,

- nyomás értékek ismeretére.

Mindezeken kívől a reakcióban résztvevıgázkomponensek arányát is ismerni kell.

Egyzónás modell

Alapfeltételek:- az égéstérben lévı közeg hımérséklete azonos a térfogat minden pontján egy adott idıpontban-az égéstérben homogén levegı tüzelıanyag keverék alakul ki- a közeg mennyisége állandó (résveszteségektıl eltekint)

Felhasznált összefüggések:

atühdBdWdUdQ .⋅−+=

ϕϕ ,, bu dUdUdU +=

( ) ( ) atüfalbvbvbbbvuvuvuuuvh hdBdVpdQdcTdTcmdmTcdcTdTcmdmTcdQ .,,,,,,,,,, ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ −+−+++++=

Kétzónás modell

Alapfeltételek:- az égéstérben lévı közeget hıátadás szempontjából két egymástól elszigetelt térfogatra bontja- külön számoljuk a két hımérsékletet- mindkét térfogat külön ad le, ill. vesz fel hıt- a két térfogatrész nyomása megegyezik

Felhasznált összefüggések:( )

( )

( )uvuuub

uuuuuub

uvuuub

uvuutüzabbufuu

uvuuub

bbbbbbbbbuu

cmVRmV

dRTmdmTRV

cmVRmV

dcTmdBhudmdQudmV

cmVRmV

dVpdRTmdmTRdTRmVdT

,

,

,.,

,

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕϕ

++

++

−+−−−

++

−++=

Az egyzónás-kétzónás modellek értékelése

A kétzónás modell pontosabb eredményt nyújt mind a hıközlés, mind a hımérsékletek számításának szempontjából, viszont tapasztalatok alapján a sokszori iteráció és a gázállandók számítása miatt igen könnyen divergenssé válhat, ekkor hibás eredményt kapunk.

Birgman-féle modellBirgman az egyzónás modellbıl indul ki, de annál egy egyszerőbb eljárást javasol.

Felhasznált összefüggések:

ϕϕϕϕ dVpdUdQh +=

ϕϕϕ dTcmdumdU vkk ⋅⋅=⋅=

ϕϕϕϕ

ϕϕϕ

d

dVp

d

dTcm

d

dQvk

h ⋅+⋅⋅=

dQ

dV

dp

dp

dV

dhϕ

ϕϕ

ϕϕ ϕ

ϕ

ϕ κ ϕκ

ϕ=

−⋅ ⋅ + ⋅ ⋅

1

1

falhégés QQQ += ϕϕ ,,

LabVIEW program mőködésének bemutatása

A program által végrehajtott mőveletek:

- nyomásértékek meghatározása

- nyomásértékek deriváltjának meghatározása

- térfogatértékek meghatározása

- térfogatértékek deriváltjának meghatározása

- hıtani jellemzık meghatározása (egyensúlyi egyenletek, κφizentropikus kitevı)

- hımérsékletek meghatározása

- hıközlési törvény meghatározása

- égéstörvény meghatározása

Nyomásértékek meghatározása

Elvégzett mőveletek:

- az indikálás eredményeinek beolvasása

- maximum, minimum, átlag számítása

- aluláteresztı szőrı alkalmazása

- eltolódott jel korrigálása

Pressure Measurement

• Low speed

• Vibration Sen.

• Analog result

Pressure Measurement• High speed

• No Vibration Sen.

• Couple Output

• Pressure DifferencMeasurement

Calibration

Statistical problems

180 270 360 450 540

fıtengely helyzete [fok]

0

4

8

12

16

nyo

má

s [f

ok]

330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430Crank angel [deg]

15

20

25

30

35

Pre

ssur

e [b

ar]

mean

Crank Angel [deg]

Problems of thenatural frequency

p [b

ar]

Frekvencia [Hz]

p [b

ar]

950 52100

7,5 KHz

13,25 KHz

Error of Integrated Value of Realised Heat, in the function of the Angular Error of the Setting of the TDC

Capacitive or Super-soundMeasuring Methods

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200Speed [1/min]

178.00

178.25

178.50

178.75

179.00

179.25

179.50

179.75

180.00

Ang

le o

f pre

ssur

e m

axim

ums

[°]

A gap [mm²]

0.7

1.3

The Pressure and the Phase Delay between the TDC and the Angle of Maximum Pressure in the function of

Speed.

The Pressure and the Phase Results of Mathematical Model and Measured Results in the function of Speed

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600Ford. sz /1/min/

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Szö

gelté

rés

/°/

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600Ford. sz /1/min/

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Szö

gelté

rés

/°/5 henger /1 kik./

5 henger /6 kik./

Indication System:

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0 60 120 180 240 300 360

φ [fok]

p [b

ar]

max nyomás átlag nyomás min nyomás

A maximum-, átlag- és minimum-nyomáslefutás

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

120 150 180 210 240

φ [fok]

p [b

ar]

átlag nyomás szőrt nyomás korrigált nyomás

A mért-, szőrt- és korrigált-nyomáslefutás

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0 60 120 180 240 300 360

φ [fok]

p [b

ar]

A mért és a szőrés utáni korrigált jel közti hiba

Nyomásértékek deriváltjának meghatározása

A nyomásértékek deriváltját numerikus deriválás módszerével határoztam meg a következı összefüggés alapján:

−=

∆∆ −

2048720

1ϕϕϕ

ϕPPP

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 60 120 180 240 300 360

φ [fok]

dp/dφ

[bar

/fok]

Nyomás fıtengely elfordulási szög szerinti deriváltja

Térfogatértékek és deriváltjaik meghatározása

Alapadatok:

- a motor geometriai adatai

- ε kompresszióviszony

Felhasznált összefüggés:

ϕϕϕπ

εx

DVVVV löket

löketkomp ⋅⋅+−

=+=41

2

,.

⋅+⋅++⋅= ϕλϕλϕϕ

43

2 sin8

sin2

cos1rx

A térfogatértékek deriváltjainak meghatározásához a nyomásderiváltakhoz hasonlóan numerikus deriválást alkalmaztam.

Az egyensúlyi egyenletek meghatározásaAz egyensúlyi egyenletek meghatározására a disszociációs modellt alkalmaztam:

( ) =

++

−++ ArNOlm

nNOHCx klmn 044,07274,324 2213 λ

ArxNxCOxOHxOxNOxCOxOHxHxNxOxHx 12211210292876524321 +++++++++++

A modell mőködéséhez szükség van a következı elméleti reakciók egyensúlyi állandóira:

HH ⇔221

4

11

x

xpK ⋅=

OO ⇔221

8

22

x

xpK ⋅=

NN ⇔221

11

33

x

xpK ⋅=

OHOH ⇔+ 22 21

21

84

54

xx

xK =

NOON ⇔+ 22 21

21

118

75

xx

xK =

OHOH 222 21 ⇔+

pxx

xK

84

96 =

2221

COOCO ⇔+pxx

xK

86

107 =

Ezen egyenletek felhasználásával egy egyenletrendszert kapunk, ami Gauss eljárással meghatározható.

A κφ izentropikus kitevımeghatározása

Az izentropikus kitevı számításához ismerni kell a gázkeverék gázállandóját és állandó nyomáson vett fajhıjét.

A gázkeverék gázállandója:

( )∑=k

spkRxR

A gázkeverék állandó nyomáson vett fajhıje:

A reakcióban résztvevı egyes komponensek fajhıje a következı összefüggés alapján számítható:

45

34

2321

p aaaaa=R

CTTTT ++++

Ideális gázok feltételezésével a keverékre moláris fajhı számítható:

C x Cp k p k=k

,∑

A κφ izentropikus kitevımeghatározása

Az R és cp értékek ismeretében a hıközlési törvényben

szereplı κφ meghatározható:

κ ϕ =−

c

c Rp u

p u u

,

,

κ ϕ =−

− +−

c

c Rx

c

c Rxp u

p u ub

p b

p b bb

,

,

,

,

( )1

κ ϕ =−

c

c Rp b

p b b

,

,

detégéskezϕϕ ≤

égésvégégéskez ϕϕϕ <<det

égésvégϕϕ ≥

Hımérsékletértékek meghatározása

Az adott fıtengely elfordulási szöghöz tartozó hımérsékletet

csak iterációval lehet meghatározni.

Alapösszefüggés:

lmR

VpT

⋅⋅

=ϕ

ϕϕϕ

unbkezégésvégégés

kezégésib

kezégésvégégés

kezégési TTT ,det__

det_,

det__

det_ 1 ϕϕϕ ϕϕϕϕ

ϕϕϕϕ

⋅

−−

−+⋅

−−

=

0

100

200300

400

500

600

700800

900

1000

1100

12001300

1400

1500

130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260

φ [fok]

T [K

]

elégettlen közeg hımérséklete interpolált hımérséklet elégett közeg hımérséklete

Hımérséklet a fıtengely szögelfordulás függvényében

Hıközlési törvény meghatározása

A fenti lépések végrehajtása után már minden paraméter a

rendelkezésre áll a következı egyenletbıl:

dQ

dV

dp

dp

dV

dhϕ

ϕϕ

ϕϕ ϕ

ϕ

ϕ κ ϕκ

ϕ=

−⋅ ⋅ + ⋅ ⋅

1

1

-10

0

10

20

30

40

50

125 135 145 155 165 175 185 195 205 215 225 235 245 255 265 275

φ [fok]

dQh/

dφ [J

/fok]

A hıközlési függvény 100% repceolaj esetén

Égéstörvény meghatározása

Az égéstörvényt, azaz az égés során fejlıdı össz

hımennyiséget a hatásosan közölt hı és a falnak átadott hı

összegzéseként számítjuk:

ϕϕϕ ,,, falhégés QQQ +=

A faltörvény számítása:( )dQ A T T df ö ö g Aϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕα τ= ⋅ ⋅ − ⋅, , , ,

Hıátadási tényezı számítása:

( )

−−

+⋅

−=

00, ln1ln5,01

)1( p

p

T

T

s

ckk

ϕϕ

ϕ

ϕ

ϕϕϕϕ κ

κλκρ

α

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260

φ [fok]

Q fa

l [J]

Hıveszteség a falon keresztül

-50

50

150

250

350

450

550

650

750

850

950

1050

130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260

φ [fok]

Q [J

]

Q égés Q hasznos

Az össz- és a hasznosan felszabaduló hımennyiség

Q hasznos

Q fal

-10

0

10

20

30

40

50

60

130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260

φ [fok]

dQég

és/dφ

[J/fo

k]

Égéstörvény 100% repceolaj esetén

Diffúz égés

Kinetikus égés

Égéstörvény repceolaj ill. gázolaj esetén

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260

φ [fok ]

dQég

és/dφ

[J/

fok]

100% repceolaj 100% gázolaj

Alapfogalmak• Elıbefecskendezési idı:

az az idıintervallum, amely a befecskendezés pillanatától a felsı

holtpontig eltelik

• Gyulladási késedelem:

az égéstérben megjelenı csepp és az öngyulladás következtében megjelenı láng között eltelt idı

GyulladGyulladáásisi kkéésedelemsedelem

Kopogásos égés nyomáslefutása és a nyomás lengés frekvenciája.(a spektrumon megfigyelhetı 13 KHz körüli rezgés a nyomásmérı

sajátfrekvenciájából adódik!)

p [b

ar]

Frekvencia [Hz]

p [b

ar]

950 52100

7,5 KHz

13,25 KHz

IndikIndikáátordiagramoktordiagramok

Károsanyag kibocsátás csökkentése

Motor üzemállapotai a terhelés függvényében

Motor üzemállapotai a terhelés függvényében

Motor üzemállapotai a terhelés függvényében

Ignition End of Comb.Start of Comb.

AfterCombustion

Flame Primary Phase

Flame StratingPhase

IgnitionDealy

120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230fıtengely szög [fok]

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

DQ

/Dfi

[J/fok

]

0.02

0.04

0.06

0.08

DXb

/Dfi

[kg/

fok]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Xb [-]

DQ/Dfi [J/fok]

DXb/Dfi [kg/fok]

Xb [ - ]

Heat Realise and Combustion:

120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270Fõtengely szög [fok]

0.00

0.02

0.04

0.06

dX/d

fi [k

g/fo

k]

Elõgyújtás:

130 fok

140 fok

150 fok

160 fok

170 fok

n=1500 1/percpsz.=0,8 bar

További tüzelıanyagok felhasználásával az égéstörvény meghatározása

Felhasznált tüzelıanyagok:

• gázolaj• repceolaj+1-propanol• repceolaj+isobutalon

Égéstörvény repceolaj ill. gázolaj esetén

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260

φ [fok ]

dQég

és/dφ

[J/

fok]

100% repceolaj 100% gázolaj

Égéstörvény repceolajhoz adagolt 1-propanol esetén

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260

φ [fok ]

dQég

és/dφ

[J/

fok]

100% repceolaj 80% repceolaj+20% 1-propanol

90% repceolaj+10% 1-propanol 95% repceolaj+5% 1-propanol

Égéstörvény repceolajhoz adagolt isobutanol esetén

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260

φ [fok ]

dQég

és/dφ

[J/

fok]

100% repceolaj 80% repceolaj+20% isobutanol

90% repceolaj+10% isobutanol 95% repceolaj+5% isobutanol

Égéstörvény repceolaj+alkoholok, gázolaj esetén

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260

φ [fok ]

dQég

és/dφ

[J/

fok]

80% repceolaj+20% 1-propanol 80% repceolaj+20% isobutanol 100% gázolaj

Köszönöm megtisztelı fegyelmüket!