К движущим силам смесеобразования в сопле инжектора относится кавитация и турбулентность. Давление впрыска бензиновой струи и её температура в топливной системе автомобиля равны 100–300 бар и 90 °С соответственно. При поднятии иглы инжектора происходит впрыск топлива в среду с давлением 0,3–8 бар и температурой около 25 °С. На Рисунок 2 представлена схема процесса кавитации в сопле инжектора постоянного диаметра. При поднятии иглы инжектора топливо
|
| Рисунок 2 - Кавитация в сопле инжектора |
поступает в сопло, при этом из-за геометрии сопла, высокого давления и скорости топливо стремится к оси канала, а по краям верхней части сопла происходит отрыв потока, и образуются области низкого давления, где топливо интенсивно испаряется. Далее паровые области образуются по мере движения топлива в сопле по причине наличия вихревых зон с пониженным давлением, вызванных турбулентностью. Таким образом при выходе струи из инжектора значительную её часть составляет пар. [ТЗ23] Геометрия сопла инжектора сильно влияет на кавитацию, так при использовании расширяющегося сопла явление кавитации усиливается, а при использовании сужающегося сопла, наоборот – уменьшается.
Второй движущей силой распада струи является турбулентность. Скорость выхода топливной струи из инжектора составляет 150 до 400 м/с. Числа Рейнольдса находятся в интервале 6,49·105 – 9,05·105. При этом такое турбулентное течение не является установившимся в силу очень маленьких размеров сопла инжектора – его диаметр имеет порядок десятых долей миллиметра – и высокой скорости впрыска. Впрыск длиться не более 1–2 миллисекунд.
|
| Рисунок 3 – Изменение расхода топлива с течением времени, а – при реальном впрыске; б – теоретическое допущение |
Расход топлива при впрыске не является одинаковым, а изменяется во времени. Так при поднятии иглы инжектора расход топлива увеличивается, а при опускании – уменьшается. Данный процесс показан на Рисунок 3 черной линией. Красной линией показан теоретический расход, который обычно принимается в расчётах, то есть время поднятия и опускания иглы инжектора приравнивают к нулю, а сам расход считают постоянным. Например, в работе [34] авторы отмечают существенные различия в структуре струи в моменты поднятия/ опускания иглы и в момент, когда игла находится в поднятом положении, так называемый квазистационарный режим, когда структура струи гомогенна и её поведение наиболее предсказуемо.
|
|
Для бензиновых струй характерно отсутствие «жидких колонн», то есть областей, где струя ещё не распадается на капли. Сопло инжектора покидает парожидкостная струя высокой скорости, уже распавшаяся на капли в результате влияния явлений кавитации и турбулентности. Таким образом, распад струи начинается ещё в сопле инжектора и ещё до её попадания в цилиндр двигателя.
На смесеобразование в камере сгорания также оказывают влияние такие параметры как:
· температура и физические свойства впрыскиваемого топлива;
· сносящий поток скоростью до 50 м/с;
· первичный и вторичный распад капель;
· межфазное взаимодействие в струе;
· взаимодействие между струями (стандартный инжектор, использующийся в автомобильном двигателе, имеет 5–6 сопел).
Итак, работа двигателя с выбранными параметрами оптимизации, это прежде всего компромисс между большим количеством факторов, влияющих на его работу. Инженеры, конструирующие конкретный двигатель, всегда принимают решение в пользу того или иного фактора, отдавая себе отчёт в том, что другие факторы не будут принимать оптимальных значений. Например, при оптимизации выбросов, часто происходит снижение эффективности двигателя. В связи с этим говорить о наличии единой оптимальной модели смесеобразования в камере сгорания или любой другой модели применимой ко всем двигателям нельзя. Так, например, не существует оптимальной формы поршня, момента впрыска, или момента открытия клапанов в целом для всех двигателей. Однако эти параметры существуют в контексте уже конкретного технического решения при конкретных условиях эксплуатации. Именно поэтому усилия многих исследователей направленны на изучение очень узких аспектов работы ДВС, а создание единой модели смесеобразования, применимой ко всем двигателям в целом является чрезвычайно сложной задачей.
|
|
Выводы по главе I
На распространение струи влияет множество факторов (перечислить).
Итак, стоит отметить, что описанные исследования носят обширный характер, однако, по-прежнему отсутствует качественное систематическое исследование влияния температуры на закономерности распространения не только затопленных струй жидких углеводородов, но и струй в сносящем потоке. Кроме того, полностью отсутствуют исследования с оценкой количества паровой фазы в подогретых струях жидких углеводородов и в струях в отсутствие подогрева. Также отсутствует однозначный ответ на вопрос какой механизм влияния подогрева струй углеводородов на их распространение является основным. Нет сведений об отличии характера распространения струй веществ с разными физическими свойствами. Данный факт не позволяет в полной мере описать и оптимизировать процесс смесеобразования в камере сгорания двигателя и уменьшить количество вредных выбросов, что обуславливает главную мотивацию выполнения настоящей работы. [ТЗ24]
|
|
Глава II. Планирование экспериментальных исследований и разработка экспериментальной установки для изучения нагретых струй жидкостей
Экспериментальное исследование, представленное в настоящей работе, выполнено в ходе двух стажировок на кафедре Технической термодинамики университета Фридриха-Александра в городе Эрланген (Германия) в научной группе под руководством профессора Венсинга [][ТЗ25]. Научная группазанимается исследованием распространения струйных течений, смесеобразования и горения в камере сгорания бензиновых и дизельных двигателей, вопросов применения альтернативных топлив, разработкой методов повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания и снижения вредных выбросов. В качестве методов исследования в основном применяются лазерные и оптические методы, такие как лазерная флуоресценция, фазовая допплеровская анемометрия, отслеживание частиц методом PIV, прямой теневой метод, шлирен-метод, Рамановская спектроскопия и другие.