Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ РАБОТ ПО ДРОБЯЩЕМУ ВПРЫСКИВАНИЮ ТОПЛИВА 8
1.1. Дробящее впрыскивание - действенный метод улучшения качества струйного смесеобразования 8
1.2. Обзор и анализ работ по исследованию процессов смесеобразования при дробящем впрыскивании топлива 17
1.3. Выводы по обзору. Постановка задачи настоящего исследования 21
2. МАТБМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ .
ДРОБНОЙ Т0ПЛИВН0-В03ДУШН0Й СТРУИ 23
2.1. Основные уравнения процесса развития струи и анализ их с помощью методов теории размерности 23
2.2. Анализ уравнения движения с помощью метода малого параметра 35
2.3. Модельное уравнение процесса смесеобразования и
общий метод его решения 39
2.4. Решение задачи о спрыске топлива с подпиткой 48
2.5. Впрыск топлива без подпитки 58
2.6. Результаты исследования, выводы 62
3. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ АЭРОДИНАМИКИ СТРУИ ДО.И.ПОСЛЕ ПРЕКРАЩЕНИЯ ЕЕ ПОДЦИТКИ 64
3.1. Исследование аэродинамики струи с подпиткой 64
3.2. Исследование некоторых аэродинамических особенностей струи после прекращения подпитки 77
3.3. Результаты исследования» выводы 90
4. ЭКСПЕРИМЕНГАЛШО-ТЕОРЕГИЧЕЖОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ДРОБЯЩЕМ ВПРЫСКИВАНИИ . 92
4.1. Описание опытной установки и оценка погрешностей 92
4.2. Экспериментально-теоретическое исследование закономерностей движения топливно-воздушной струи. при дробящем впрыскивании 99
4.3. Экспериментальное исследование оптической плотности прерывистой топливно-воздушной струи
4.4. Результаты исследования, выводы 118
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДРОБЯЩЕГО ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА НА ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ 121
5.1. Исследование работы дизеля 6 ЧНСП 16/22.5 при дробящем впрыскивании топлива 121
5.2. Исследование работы дизеля 8 ЧР 24/36 при. дробящем впрыскивании топлива 132
5.3. Результаты исследования, выводы 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140
СШЮОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 143
ПРИЛОЖЕНИЯ 149
- Дробящее впрыскивание - действенный метод улучшения качества струйного смесеобразования
- Основные уравнения процесса развития струи и анализ их с помощью методов теории размерности
- Исследование аэродинамики струи с подпиткой
- Описание опытной установки и оценка погрешностей
- Исследование работы дизеля 6 ЧНСП 16/22.5 при дробящем впрыскивании топлива
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" в частности сказано: "... создавать принципиально новые виды транспортных средств, а также транспортные энергосиловые установки, обеспечивающие существенное сокращение расхода топлива и энергии. Расширять производство дизельных двигателей с высокими технико-экономическими показателями" [i] .
В настоящее время дизели все шире внедряются в различные отрасли народного хозяйства нашей страны. Это объясняется тем, что они являются самыми экономичными тепловыми двигателями, обеспечивающими основные нужды мобильной энергетики большинства видов транспорта, многих отраслей промышленности и обороны страны.Широко используются дизельные установки и на судах речного флота.
Строгое лимитирование дизельных дистиллятных топлив с особой остротой поставило перед МРФ РСФСР задачу повышения экономичности работы двигателей, а также выдвинуло проблему изыскания путей перевода дизелей на более дешевые и, как правило, более тяжелые сорта топлива. Решение этих задач неразрывно связано с организацией качественного смесеобразования, которое во многом определяет надежность и экономичность работы дизельных СЭУ.
В ряде работ Гз5, 42 J показано, что органическим недостатком струйного смесеобразования является переобогащение топливом центральной части факела. Это вызывает при высоких температурах эффективное сажеобразование. Сажа, как известно, горит относительно медленно, поэтому процесс тепловыделения заметно затягивается, что, в свою очередь, ведет к снижению экономичности двигателя.
В работе Г35~) показано, что существенно ослабить этот не- достаток струйного смесеобразования посредством обычных мероприятий (изменением давления впрыска,диаметра сопел,параметров газовой среды и т.д.) не представляет возможным. В связи с этим особый интерес вызывает так называемый дробный впрыск. Анализ процесса струйного смесеобразования при непрерывном впрыске топлива показывает ,что во фронтальной части струи имеют место мощные конвективные радиальные течения.которые.если прекратить питание факела, должны быстро уменьшить концентрацию жидкой фазы в центре струи.
Однако в современной литературе практически полностью отсутствуют материалы по смесеобразованию при дробном впрыске. В связи с этим основной целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование этого процесса. Кроме этого, здесь уделено большое внимание комплексному исследованию дробного впрыска и водо-топливной эмульсии, что позволяет значительно интенсифицировать процесс смесеобразования и более качественно сжигать в дизелях тяжелые сорта топлива.
Основное научное содержание работы заключается в следующем.
Сделано математическое описание процесса развития струи при дробном впрыске. Оно представлено уравнениями неразрывности и движения газовой среды. Для замыкания системы использована концепция Ж.Буссинеска. При помощи анализа размерностей и метода малого параметра исходные уравнения были существенно упрощены.
На основе разработанной математической модели создан численный метод расчета полей скорости в нестационарной гомогенной струе при непрерывном и прерывистом впрысках. Метод реализован в программе на алгоритмическом языке пФортран-1У", применительно к ЭВМ EC-I020, ВС-1022.
Расчетным путем установлены некоторые аэродинамические особенности струи при ее движении после прекращения впрыска. Так, показано, что в этом случае имеет место существенное уменьшение осевых скоростей (особенно в хвостовой части факела) и соответственно резкое увеличение ширины струи (главным образом, во фронтальной части факела). Если грубо считать, что поле концентраций топлива в факеле пропорционально скорости в струе, то это будет означать, что прекращение подпитки ведет к улучшению смесеобразования в камерах сгорания ДВС.
Выполнен комплекс экспериментальных работ по изучению закономерностей движения и изменения угла конуса струи распыленного топлива при дробном впрыске, а также особенностей изменения оптической плотности в топливно-воздушном факеле при различных давлениях впрыска, давлениях газовой среды, времени между впрысками и т.д.
В результате обработки экспериментального материала получены обобщенные зависимости для оценки дальнобойности и угла конуса струи при дробном впрыске. Эти формулы хорошо описывают результаты эксперимента.
Проведены экспериментальные исследования основных показателей судовых дизелей 8 ЧР 24/36; 6 ЧНШІ 16/22.5 при их работе на номинальном режиме с использованием дробного впрыска, а также - дробного впрыска в комплексе с водо-топливной эмульсией (ВТЭ). Опыты проводились как на дизельном горючем, так и на моторном топливе. Испытания показали, что дробный впрыск является действенным средством улучшения рабочего процесса дизеля. Этот способ впрыска особенно эффективен в комплексном использовании с ВТЭ. В таком варианте он открывает широкие возможности работы двигателей на форсированных режимах и на тяжелых сортах топлива.
В соответствии с содержанием работы диссертант представляет к защите: - математическую модель процесса развития изотермической гомогенной струи при дробном впрыске; расчетный метод, позволяющий проследить за динамикой скоростных полей в дробной изотермической струе; результаты анализа материалов "вычислительного эксперимента" по дробной струе; результаты экспериментального исследования динамики развития дробного топливно-воздушного факела; новые формулы для опенки дальнобойности и угла конуса топливно-воздушного факела с дробным впрыском; результаты экспериментального исследования работы судовых двигателей 8 ЧР 24/36, 6 ЧНШ 16/22.5 с использованием дробного впрыска как в самостоятельном варианте, так и в комплексе с БТЭ; новые конструкции форсунок, обеспечивающие дробный впрыск топлива.
Дробящее впрыскивание - действенный метод улучшения качества струйного смесеобразования
В современной научной литературе опубликовано большое количество работ, посвященных процессам смесеобразования в дизелях при непрерывном истечении топлива из сопла, а также разработаны 28, 29, 33, 34, 36, 49 и др. картерных вариантов смесеобразования: с закруткой струи в неподвижной среде или в спутном потоке, прямо струйное в сносящем потоке и др. В целом можно считать, что основные закономерности струйного смесеобразования при непрерывном впрыскивании топлива изучены хорошо. Это позволяет сделать достаточно правильную качественную опенку данному сложнейшему физическому процессу.
Анализируя струйное смесеобразование при непрерывном впрыскивании топлива в камеру сгорания, можно выделить один из главных его недостатков - чрезмерное пере обогащение топливом сердцевины струи (рис. 1,1), Этот недостаток отмечается в целом ряде работ
Пере обогащение сердцевины струи топливом при непрерывном впрыскивании иллюстрируется фотографией, приведенной на рис, 1,2, Этот снимок получен при скоростной кино-регистрации процесса развития струи на специальном стенде.
При высокой температуре в пере обогащенной области струи создаются благоприятные условия для термического разложения топлива, которое сопровождается интенсивным выделением свободного углерода (сажи). Как известно 20 J , сажа горит относительно медленно. Поэтому при интенсивном ее выделении процесс сгорания топлива затягивается, что, в свою очередь, ведет к существенному снижению экономичности двигателя. Наконец, возникает возможность того, что часть сажи вообще не успеет сгореть и выбросится с выпускными газами в атмосферу. Это вызовет потерю тепла от химического недожога топлива. Более того, частицы сажи, содержащиеся в выпускных газах и не представляющие сами по себе токсичной опасности, являются основными носителями канцерогенных веществ. Все это вполне обоснованно говорит о необходимости улучшения качества струйного смесеобразования.
Проблема повышения эффективности струйного смесеобразования приобретает в настоящее время особую актуальность в связи с современной тенденцией форсирования дизелей по мощности и переводе их на тяжелые сорта топлива.
Результаты многочисленных расчетов, проведенных О.Н.Лебедевым, показывают, что существенно улучшить качество струйного смесеобразования посредством обычных мероприятий (изменением давления спрыска, диаметра сопел, параметров газовой среды) не представляется возможным. Это хорошо видно из рис.1.3, который заимствован из работы [зб] . Здесь обозначено: 0 - доля топлива в объеме факела, обеспеченная окислителем для последующего сгорания; X - длина факела. Эти расчетные материалы качественно согласуются с результатами экспериментов ряда исследователей [21, 33 и др.] .
class2 МАТБМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ .
ДРОБНОЙ Т0ПЛИВН0-В03ДУШН0Й СТРУИ class2
Основные уравнения процесса развития струи и анализ их с помощью методов теории размерности
При разработке математической модели нестационарной двухфазной изотермической струи используется, как правило, система дифференциальных уравнений в частных производных _34, 40І. Аналитическое решение таких задач весьма затруднительно. В данной главе изложен метод, который дал обнадеживающие результаты при анализе динамики факела распыленного топлива при дробящем впрыскивании.
Предположим, что из круглого сопла диаметром Цр в цилиндр дизеля радиуса К. впрыскивается струя жидкого топлива. Условно допустим, что распад жидкости полностью завершается к выходному сечению сопла. Пространство, в которое впрыскивается топливо, заполнено неподвижной воздушной средой. Примем, что температуры фаз одинаковы и являются заданными величинами.
Так как подача горючего в камеру сгорания двигателя происходит в момент, когда поршень находится около ВМТ, то можно условно считать, что процесс развития струи протекает при постоянном и известном давлении газовой среды \А . Фазовые превращения отсутствуют.
Допустим далее, что имеет место серия последовательных кратковременных впрыскиваний топлива, характеристика каждого из которых известна, т.е.
Каждая порция впрыснутого топлива будет перемешиваться с воздухом и оказывать на него силовое воздействие, поэтому газовая среда будет увлекаться каплями и получится весьма своеобразное смесеобразование.
Математическая модель процесса струйного смесеобразования, разработанная в [29 J , сводится к системе дифференциальных уравнений Франкля-Донина, включающих в себя осредненные и пульса-ционнне составляющие.
В работах [_23f 24, 30 и др.] показано, что в условиях, близких к тем, которые имеют место в дизелях, осредненные скорости движения фаз быстро выравниваются и можно использовать допущения о равновесности осредненного движения.
С другой стороны [ 31 ] , даже для сравнительно малых диаметров капель ( 0. = 10 20 мкм) и малой плотности их материала ( 800 кг/м3) не наблюдается равенства скоростей фаз в диффузионном турбулентном движении. Все это дает основание использовать в дальнейших исследованиях такую модель двухфазного течения, которая предусматривает неравновесность пульсационного движения.
Исследование аэродинамики струи с подпиткой
Полученное в главе 2 аналитическое решение (2.103), позволяет провести качественный анализ поведения эпюры скорости движения для случая струи с подпиткой. В частности, из (2.103) следует, что в поперечных сечениях скорости определяются функцией Бесселя нулевого порядка. Если, как обычно принято в теории турбулентных струй Гб5І , ввести понятие полуширины струи Гд-л-) (как расстояние от оси факела до точки, в которой скорость равна половине ее значения на оси), то можно построить эпюру скорости в факеле в поперечном сечении в общепринятой.
На рис.3.1 приведена расчетная зависимость и экспериментальные точки Райхарда [73J и Бюста f 76j . Заметим, что указанные эксперименты относятся к случаю стационарной турбулентной струи, чем можно объяснить определенное различие в поведении экспериментальной и расчетной эпюр вблизи оси струи и особенно у ее внешней границы. Сопоставление результатов с экспериментальным материалом показывают, что нестационарная струя является более компактной. В ней основное количество движения тяготеет к оси ее распространения.
Характер затухания скорости на оси струи в зависимости от безразмерной пространственно-временной координаты приведен на рис.3.2.
Для того, чтобы вернуться от безразмерных координат к реальным физическим, необходимо найти значение полуширины струи и , входящее в определение безразмерных координат Г и .
Описание опытной установки и оценка погрешностей
Качественное исследование некоторых закономерностей формирования полей скорости в струе с прерыванием впрыскивания было проведено в третьей главе. Однако использованный там метод расчета рассматриваемого струйного течения не может быть применен (в силу принятых упрощающих предпосылок) для реальных условий, имеющих место в камере сгорания дизеля. Поэтому сделаем попытку изучить процессы смесеобразования при дробящем впрыскивании на основе эксперимента. Обработку опытного материала будем проводить при помощи теории подобия. Последняя, как известно _17, 27J, дает возможность увязать опытное исследование изучаемого явления с его физико-математическим описанием и придает полученным расчетным зависимостям обобщенный характер.
Основными параметрами, характеризующими развитие нестационарной топливно-воздушной струи, являются длина и угол рассеивания струи, а также распределение топлива по сечению факела. Сделаем попытку изучения закономерностей изменения этих величин для случая дробящего впрыскивания. Опыты будем проводить в воздушной бомбе постоянного объема.
Схема экспериментальной установки представлена на рис.4.1. Топливо к форсунке 13 подавалось насосом высокого давления 8,приводимым в движение электромотором 9. Это горючее аккумулировалось в успокоителях 7, а затем - 6. Топливная система обеспечивала постоянство давления впрыскивания, которое фиксировалось манометром 5 с классом точности 1.5 (верхний предел измерения 24.5 МПа). Форсунка 13 крепилась в воздушной камере I при помощи пластины 12.
Исследование работы дизеля 6 ЧНСП 16/22.5 при дробящем впрыскивании топлива
В главах 3,4 было показано, что дробящее впрыскивание топлива существенно улучшает качество струйного смесеобразования. МоЖ но ожидать, что это в свою очередь повысит основные показатели рабочего процесса дизеля. С целью проверки этого предположения были проведены две серии экспериментов. Первая серия включала в себя лабораторные испытания двигателя 6 ЧНСП 16/22.5, а вторая была проведена на двигателе 8 ЧР 24/36, установленном на теплоходе CT-2I3 Западно-Сибирского речного пароходства. Некоторые сведения об экспериментальных двигателях приведены в табл.5.1.
На двигатель I были установлены штатные форсунки 2 с распылителями 8x0.3x150. Для получения дробного впрыска был сконструирован (по аналогии с регулятором характеристики впрыска И.В.Астахова) и изготовлен специальный механизм 5, установленный между форсункой и трубопроводом высокого давления. При этом общая длина линии нагнетания сохранялась прежней. Подача топлива осуществлялась топливным насосом 6 блочного типа.
Подъем иглы распылителя контролировался емкостным датчиком 3, а изменение давления топлива в нагнетательной магистрали - пьезокварцевым датчиком 4. Сигналы от этих устройств проходили через усилитель 9 марки ЇЇКИ-4 и затем регистрировались осциллографом 7 типа H-I02. Для непосредственного наблюдения за характером подъема иглы форсунки, а также для настройки механизма 5 сигнал от усилителя шел параллельно на электронный осциллограф 8.
Индикаторная диаграмма рабочего процесса дизеля снималась на первом цилиндре при помощи стробоскопического индикатора 12 марки СИ-2 (конструкция кафедры СДВС НИИВТа), который получал сигналы от пьезокварцевого датчика 10 давления газов и датчика II поворота коленчатого вала. Погрешность измерения давления при помощи этого устройства составляла 2%. Кроме этого, максимальное давление цикла на всех цилиндрах снималось при помощи механического индикатора МИ-І (частота свободных колебаний до 1200 Гц).
Температура отработавших газов измерялась термопарами 13 (тип ТХК 0 600С) и фиксировалась потенциометром 14 (тип КШ I--514, группа ХК 0+600С, класс точности 0.5). Расход топлива измерялся при помощи весов 15. Погрешность при этом не превышала 0.25$. Давление надувочного воздуха определялось образцовым манометром. Число оборотов дизеля, температура охлаждающей воды, а
