CC BY
32
УДК 621. 43. 016
Ю.В. Черняк, к.т.н., доцент (ДонИЖТ) А.М. Гущин, к.т.н., доцент (ДонИЖТ) Трубихин О.В., аспирант (ДонИЖТ)
СРАВНЕНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗБЫТКА ВОЗДУХА ПРИ
СЖИГАНИИ ТОПЛИВА
Постановка проблемы. Коэффициент избытка воздуха а является одним из показателей, обеспечивающих оптимальный рабочий процесс двигателей внутреннего сгорания.
Повышение значения этого коэффициента, которое имеет место, например, при сжигании топлива в тепловозных дизелях, приводит к нагреванию избыточного воздуха и потере теплоты и, соответственно, к снижению коэффициента полезного действия. Пониженное же значение а приводит к неполному сгоранию топлива.
На основе анализа работ по данной тематике сделан вывод о том, что при построении расчётных зависимостей применяются различные методы и исходные данные. Так, в работе [1] приводится формула, в которой при определении коэффициента избытка воздуха используется только один газовый компонент из отработавших газов - кислород:
21 (1) а =-, (1)
1 21 - о2 к 7
где цифра 21 - концентрация кислорода в атмосферном воздухе по объёму, %;
О2 - объёмная концентрация кислорода в продуктах сгорания, %.
В формуле (1) не учитываются другие компоненты в отработавших газах, что может внести погрешность при расчетах коэффициента а.
В работе [2] приведена расчетная зависимость определения коэффициента избытка воздуха а, учитывающая концентрацию в отработавших газах кислорода, углекислого газа и окиси углерода:
1
"2 1 3,67 • ( - 0,5 • СО) . (2)
100 - (СО2 + О2 + СО)
С помощью формулы (2) осуществляется более полный учет компонентов содержащихся в отработавших газах. К недостатку можно отнести - неполный учет состава продуктов сгорания (отработавших газов).
В работе [3] в формуле для определения а дополнительно учтено содержание в продуктах сгорания окислов серы SO2 :
а =_21_
[21 - 0,79(О2 - 0,5СО )[100 - (СО 2 + SO 2 + O2 + CO)] . ()
Однако, предварительные расчеты по этой формуле показали неудовлетворительные результаты. В Держстандарте Украины [4] приведена расчетная зависимость для определения а^ с учетом большинства основных газовых компонентов в отработавших газах и состава топлива. При этом из двух основных газовых компонентов, кислород и углекислый газ, используется только углекислый газ, а содержание кислорода выражается через состав томлива:
21 - 1,353СШ2 - 0.958СШ - 0.5С^ - 0.63^
а4 = 1 +-2- (4)
4 СШ2 + 0.5СШ + 0.4468(СШ2 + Сш) + 0.5С^ ■ ^
Преимущество формулы (4) - полный учет основных газовых компонентов продуктов сгорания, но при этом коэффициенты при концентрациях газовых компонентов приведены для условий сжигания одного вида топлива - дизельного, а основным газовым компонентом, определяющим значение а, выбран углекислый газ СО2, являющийся
активным газом, хорошо растворимым в воде, в том числе в конденсате, получаемом при охлаждении продуктов сгорания.
Постановка задания. С учетом перечисленных недостатков авторами предложена расчетная зависимость, где в качестве основного газового компонента используется кислород, концентрация котрого в атмосферном воздухе принята равной 20,9%, а не 21% как это принимается в других формулах. Кроме того, содержание углекислого газа выражается через состав топлива, а также учтено наличие в продуктах сгорания углеводородов СшИи:
4,47(02 - 0.5СО + ОШО + Ы02 -У (т + -)СтИп)
а = 1+-^—4-.(5)
5 100 - 4.7802 + 1.89С0 - 2.39М0 - 4.2Ш02 + 4.78У (т + 0.198п - 0.209)СтИп
В работе [5] предложена расчетная зависимость для определения а по данным газового анализа продуктов сгорания без использования данных о составе топлива. В этой формуле используются оба основные газовые компоненты, определяющие значение а - кислород О2 и углекислый газ СО2:
3,48-
а = 1+-
02 - 0.5 - (С0 - N0)+N02-У(т+4) - СяИп
100- 4.78-02 -С02 -Б02 + 0.89-С0-2.39-N0-4.28-N0., + 3.78-У| т + П-0.2651-СтИп
(6)
Достоинством выражения (6) является то, что она может быть использована при сжигании любого топлива, в том числе топлива с неизвестным химическим составом, а недостатком - необходимость измерения содержания всех газовых компонентов, включая кислород и углекислый газ.
В работе [7] предложено шесть расчетных зависимостей для определения а, в которых учитываются отдельные компоненты в концентрации паров воды и азота, и отличающиеся от рассмотренных выше по форме.
Учитывая то, что современные переносные газоанализаторы не измеряют концентрацию паров воды и азота, рассмотрим только те выражения, в которых используется концентрации «сухих» газов.
Формула (3,93) [7] основана на использование в качестве основного газового компонента - кислорода, эта формула имеет вид:
а7 =
21-X!-(1 - У).[02 , (7)
изб
21--О2]
(100 -1,5 -[Я 2 ]-0,5 - [СО ]-2 -[СН 4 ]).
гДе ^ = ^ '
[02]изб = [02] - 0,5 ■ [СО] + [Н2] - 2 ■ [СН4]; У = 0,94.
Наличие в формуле (7) эмпирического коэффициента У является, очевидно, отображением использования данных о составе топлива.
По составу исходных данных формула (7) соответствует выражению (5) и обладает теми же достоинствами и недостатками.
Формула (3.94) [7] основана на использовании в качестве основного газового компонента углекислого газа:
а, ] у4]' -[С01)_+ 0,02 . (8)
8 [С02 ] + [С0]+ 0,00187 - СтНп к '
Наличие в этой формуле эмпирических коэффициентов 0,145 и 0,02, очевидно, обусловлено использование данных о составе топлива. По этим признакам она соответствует формуле (4) и обладает теми же достоинствами и недостатками.
В работе [7] предложено выражение, в котором учитываются не только оба основных газовых компонента продуктов сгорания О2 и СО2, но и химический состав топлива:
а =
(
29([С0]+[С02 ]) 0,21 - Мо - ([С02 ] + [С0] + [СтНп]
С 1 + 0,5 [С0]+[02] + Н
Т2 1 +м +0,88 - 3571С01
[С02 ] ' [С02 ]
. (9)
По составу исходных данных формула (9) является перегруженной, поскольку из трех основных исходных данных: концентрация кислорода, концентрация углекислого газа и состав топлива для определения коэффициента избытка воздуха а достаточно взять любые два из них.
В источнике [6] со ссылкой на работу [7] приведена расчетная зависимость для определения коэффициента избытка воздуха а, основанная на использовании характеристик работы двигателя, таких как частота вращения коленчатого вала и и степень загрузки двигателя М. В частности, для двигателя внутреннего сгорания 5ДН12/12х2 получена следующая зависимость:
аш = 5,828 + 0,329 • и - 0,012 • и12 - 15М + 0,276 • и • М + 3,27М2 . (10)
К достоинствам такой формулы можно отнести то, что она не требует анализа продуктов сгорания. К недостаткам ее можно отнести то, что она, очевидно, может быть справедливой только для одного типа двигателя, а также то, что расчетное значение а, очевидно, будет зависеть от технического состояния двигателя.
Целью дальнейших исследований является проведение сравнительного анализа приведенных выше формул.
Для выполнения такого анализа необходимо иметь полные и надежные данные.
В качестве таких исходных данных нами использованы результаты испытания двигателя 5ДН 12 / 12 х 2 на стендах завода - изготовителя ХКБД (г. Харьков), опубликованные в работе [6] таблица 1.
Специальный анализ этих данных позволил установить, что результаты измерений были выполнены качественно и грубых ошибок не имеется, и опубликованные в работе [6] результаты заводских испытаний можно использовать для сравнительного анализа расчетных зависимостей для определения коэффициента избытка воздуха а..
Расчетный анализ коэффициента избытка воздуха производился по формулам 1,2,4,5,6,7. Расчеты по другим формулам не производились потому, что формулы (3) и (10) давали заведомо ложные результаты; формулы (8) и (9) давали результаты, близкие к другим формулам.
Результаты расчетов по приведенным выше формулам приведены на рисунке 1.
Таблица 1 - Сравнение результатов расчета коэффициента избытка воздуха по разным формулам
№ п/п Исходные данные Расчеты а, по формулам (1), (2), (4), (5), (6)
и, мин М 02, % С02, % со, % СН4, ч.н.м. ч.н.м. Н2, ч.н.м. а} 0.4 аз 06 07 и , а , «4 с , я ( Д 1 4 н
1 2400 1,000 10,9 7,1 0,493 2530 492 511 2,079 1,612 2,009 1,907 1,895 1,902 1,035 0,802 0,949 0,943 0,947
2 2050 1,000 11,0 6,9 0,750 3400 515 1294 2,100 1,486 2,016 1,882 1,866 1,888 1,042 0,737 0,934 0,926 0,937
3 2800 1,000 11,3 6,9 0,368 1935 559 235 2,165 1,743 2,086 2,008 1,997 1,999 1,038 0,836 0,963 0,957 0,958
4 2800 0,695 13,8 5,2 0,139 1125 378 137 2,917 2,468 2,797 2,734 2,720 2,714 1,043 0,882 0,977 0,972 0,970
5 2050 0,691 13,8 5,3 0,063 900 473 231 2,917 2,579 2,769 2,757 2,749 2,744 1,053 0,931 0,996 0,993 0,991
6 2400 0,560 15,2 4,1 0,250 700 340 229 3,621 2,750 3,453 3,373 3,361 3,352 1,049 0,796 0,977 0,973 0,971
7 2800 0,305 16,3 3,4 0,054 410 268 0 4,468 3,747 4,274 4,235 4,222 4,180 1,045 0,877 0,991 0,988 0,978
8 2050 0,297 16,8 3,0 0,035 300 258 13 5,000 4,186 4,848 4,757 4,737 4,691 1,031 0,863 0,981 0,977 0,968
9 2970 0,000 17,5 2,5 0,059 340 288 259 6,000 4,759 5,754 5,682 5,659 5,624 1,043 0,827 0,987 0,983 0,977
10 2800 0,000 17,6 2,4 0,048 300 172 25 6,176 4,923 6,016 5,863 5,830 5,755 1,027 0,818 0,975 0,969 0,957
И 2400 0,000 18,1 2,1 0,042 270 150 18 7,241 5,656 6,867 6,888 6,877 6,731 1,054 0,824 1,003 1,001 0,980
12 2050 0,000 18,3 1,9 0,040 260 ИЗ 16 7,778 5,982 7,581 7,405 7,363 7,220 1,026 0,789 0,977 0,971 0,952
13 1600 0,000 18,7 1,6 0,038 280 110 19 9,130 6,791 8,973 8,698 8,629 8,429 1,017 0,757 0,969 0,962 0,939
14 1200 0,000 18,9 1,5 0,042 330 135 26 10,000 7,255 9,533 9,503 9,457 9,168 1,049 0,761 0,997 0,992 0,962
15 800 0,000 19,1 1,3 0,052 410 177 34 11,053 7,645 10,888 10,443 10,308 10,014 1,015 0,702 0,959 0,947 0,920
О
а и«
о и
5=1
□
Анализ результатов расчета показывает следующие:
- из шести формул лишь одна (формула 2) давала результаты, значительно отклоняющиеся от других. Это позволяет сделать вывод о том, что при ее выводе допущена методическая ошибка;
- расчеты по другим формулам дают достаточно близкие результаты. Так расчеты по формулам (5) и (6) дают практически совпадающие результаты, несмотря на то, что они построены, как показал приведенный выше анализ, по разному;
- расчеты по формуле (4) по сравнению с формулами (5) и (6) дают более высокие значения а, однако эти отклонения составляют в среднем 3.. .4%.
Достаточно точными оказались результаты расчетов по формуле (1), отличающейся своим упрощенным подходом к определению коэффициента избытка воздуха а. В этой формуле учитывается только содержание в продуктах сгорания кислорода, хотя очевидно, что на величину а влияет наличие в продуктах сгорания недожега топлива (СО, Н2, СшНп), окислов азота (N0 и N0^, углекислого газа СО2. Отклонение результатов расчета а по формуле (1) от результатов расчета, например, по формуле (4) составляет 4 . 5%.
Это позволяет при ориентировочных расчетах использовать формулу (1), введя в нее поправочный коэффициент К =0,94:
К 21
а = К----(11)
21 - О2- ( )
Выводы.
В литературе имеются десятки различных формул, по разному построенных и использующих разные исходные данные, в том числе: концентрацию в продуктах сгорания кислорода, углекислого газа, окислов азота, продуктов химического недожёга топлива (Н2, СО, СшНп), химический состав топлива, характеристики работы двигателя внутреннего сгорания.
Расчетный анализ показал, что отдельные опубликованные зависимости дают заведомо ошибочные результаты (формулы 3 и 10), значительные отклонения от других дает формула (2). Расчетные
зависимости, построенные на анализе уравнений баланса газовых компонентов (формулы 4,5,6,7,8) при различном построении и использовании разных исходных данных дают примерно одинаковые значения коэффициента избытка воздуха а.
При этом установлено, что для построения расчетных зависимостей определения а из трех величин, определяющих значение а (содержание в продуктах сгорания кислорода и углекислого газа, а также состав топлива) достаточно использовать любые две из трех величин.
Близкими к формулам содержащим все основные газовые компоненты в отработавших газах оказались расчеты по самой упрощенной формуле 1, использующей лишь одну из влияющих величин -содержание в продуктах сгорания кислорода. Среднее отклонение по этой формуле составляет 4-5%. Исходя из этого можно рекомендовать ее при ориентировочных расчетах а с введением поправочного коэффициента 0,94, как это показано в формуле (11).
Список литературы
1. Теплотехника: Учеб. для вузов /А.П. Баскаков, Б.В. Берг и др.; - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991.-224с.
2. Теплотехника: Учебник для студентов не теплоэнергетических специальностей вузов / А. А. Щукин - 2- е изд., перераб. И доп. М.: Металлургия, 1973. 479с.
3. Теплотехника: Учебник для студентов втузов /А.М. Арзаров, С.И. Исаев и др.: Под общ. ред. В.И. Крутова . -М. 6 Машиностроение, 1986. - 432с.
4. ДСТУ 32.001-94. Галузевий стандарт Украши. Викиди забруднюючих речовин з вщпрацьованими газами тепловозних дизелiв. Норми та методи визначення.
5. Ю.В. Черняк, А.М. Гущин, Ю.В. Кривошея. Определение коэффициента избытка воздуха.- Вюник ДДАБА, 2003 - 4 (41), с.102 - 110.
6. П.Я. Бутурлин. Основные результаты исследования высокооборотного форсированного двухтактного дизеля по составу отработавших газов с целью определения диагностических параметров./Сб. научных трудов №10, стр. 65 - 68.
7. А.В. Станиславский. Техническое диагностирование дизелей. Донецк: Высшая школа, 1983. - 136с.
