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.