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