Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологических, регулировочных показателей и их влияние на рабочий процесс и экономические, экологические параметры дизеля 8
1.1 Выбор технологических и регулировочных показателей дизеля 9
1.2 Влияние показателей на процесс распыливания топлива 25
1.3 Влияние показателей на рабочий процесс и экономические, экологические параметры дизеля 32
Выводы и задачи исследования 36
2. Математическое описание рабочего процесса на основе характеристики тепловыделения и ее связь с экономическими и экологическими параметрами дизеля 38
2.1 Математическая модель топливной струи 38
2.2 Рабочий процесс и характеристика тепловыделения 56
2.3 Характеристика тепловыделения и эффективные параметры дизеля 82
2.4 Характеристика тепловыделения и токсичность газов в цилиндре дизеля 87
3. Влияние технологических и регулировочных показателей на экономические и экологические параметры дизеля методами векторной оптимизации 102
3.1 Обоснование Парето - оптимальных решений при оценке векторного критерия качества 102
3.2 Математическая формулировка Парето - оптимальных функций по технологическим и регулировочным показателям дизеля 117
3.3 Парето - оптимальные функции экономических и экологических параметров дизеля по векторному критерию качества 127
4. Экспериментальное исследование влияния технологических и регулировочных показателей на экономические и экологические параметры дизеля ЧН 16/17 140
4.1 Пределы изменения технологических и регулировочных показателей дизеля 140
4.2 Влияние показателей на параметры струи топлива 150
4.3 Влияние отдельных технологических и регулировочных показателей на экономические и экологические параметры дизеля 158
4-4 Влияние совокупности показателей на экономические и экологические параметры дизеля 189
Заключение 208
Список использованной
литературы 209
Приложения 217
- Влияние показателей на процесс распыливания топлива
- Рабочий процесс и характеристика тепловыделения
- Математическая формулировка Парето - оптимальных функций по технологическим и регулировочным показателям дизеля
- Влияние показателей на параметры струи топлива
Введение к работе
Актуальность работы. Основным направлением развития судовых энергетических установок (СЭУ) являются: снижение токсичности отработанных газов (ОГ), в соответствии с их перспективными нормами, повышение топливной экономичности, удельной мощности, надежности двигателя. Величина эффективных и экологических параметров двигателя определяется его рабочим процессом, который зависит от совокупности различных факторов: конструкторско-технологических, регулированных, режимных и эксплутационных. Соответствие выходных параметров двигателя заданным нормам определяется во время заводских испытаний дизелей, при которых подразумевается идентичность конструктивных, эксплутационных и режимных факторов, так как они оговорены конструкторской документацией. Влияние атмосферных отклонений на параметры рабочего процесса учитываются поправочными коэффициентами. Таким образом, остается группа показателей, определяющих индивидуальные особенности двигателя: технологические и регулировочные. Изменение технологических и регулировочных показателей, в допускаемых технической документацией пределах, оказывают значительное влияние на рабочий процесс, и, как следствие, определяют эффективные и экологические параметры двигателя. Поэтому, выбор совокупности технологических и регулировочных показателей, и их уточнение в пределах допусков позволяет улучшить экологические и эффективные параметры дизеля. Колебания этих показателей определяются величинами технологических отклонений при сборке двигателя и при его регулировке. Технологические и регулировочные показатели предназначены для поддержания на заданном уровне эффективной мощности, удельного расхода топлива и экологических характеристик двигателя, однако их влияние недостаточно исследуется или носит справочный характер.
В связи с этим актуальной является задача поиска путей улучшения эффективных и экологических параметров двигателя по технологическим и регулировочным показателям. Для решения этой задачи необходимо выявить перечень этих показателей, определить влияние каждого из них на выходные параметры двигателя, разработать методику поиска значений этих показателей, обеспечивающих наилучшие эффективные и экологические параметры дизеля.
Цель работы. Улучшить экономические и экологические параметры дизеля ЧН 16/17 путем выбора совокупности технологических и регулировочных показателей в пределах их допусков.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи исследования:
1. определить перечень и дать анализ технологических и регулировочных показателей двигателя, оказывающих влияние на эффективные и экологические параметры дизеля ЧН 16/17;
2. разработать методику и стенд для исследования влияния технологических и регулировочных показателей двигателя на параметры струи распыленного топлива;
3. обосновать методику векторной оптимизации совокупности технологических и регулировочных показателей для оценки эффективных и экологических параметров дизеля;
4. провести экспериментальную проверку правильности выбранных решений подтверждающих улучшение эффективных и экологических параметров дизеля ЧН 16/17 за счет технологических и регулировочных показателей двигателя.
Реализация результатов работы. Основные положения и результаты работы использованы в дизелях 56ЧН 16/17 и внедрены в производство ОАО «Звезда».
Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на. заседании кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания и дизельные установки» Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета (СПб ГМТУ) в сентябре 2003, основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на «V международной конференции по судостроению, судоходству, деятельности портов, морской техники для освоения океана и шлейфа», Санкт - Петербург (СПб), сентябрь, 1999, на « VI международной конференции по судостроению, судоходству, оборудованию платформ и обеспечивающих их работу плавсредств, морской техники для освоения океана и шлейфа», СПб, сентябрь, 2001, на XIV научно-технической конференции Центрального конструкторского бюро по судам на подводных крыльях «Алексеевские чтения» г. Нижний Новгород, декабрь, 2001, на заседании Санкт -Петербургского Научного совета по горению и взрыву РАН (Северо-Западное отделение), СПб, март, 2003, на научно - технической конференции «Кораблестроительное образование и наука - 2003», СПб, май, 2003.
Методы исследования. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных методов исследования. При проведении теоретических исследований использованы теория рабочих процессов двигателей, методы многокритериальной оптимизации эффективных и экологических параметров дизеля. Основные уравнения разработанной математической модели характеристики тепловыделения базируются на физических законах и решаются с использованием современных численных методов. Достоверность результатов, полученных при теоретических исследованиях, проверялись при испытаниях на моторных стендах. Экспериментальные исследования проводились на двигателях 1ЧН16/17, 8ЧН 16/17 и 56ЧН16/17, которые выполнены по стандартным методикам, с применением современных метрологически аттестованных измерительных средств и приборов.
Научная новизна заключается в следующем:
- установлена математическая зависимость влияния совокупности технологических и регулировочных показателей на параметры характеристики тепловыделения;
- разработана методика и оригинальный стенд для исследования влияния технологических и регулировочных показателей на параметры струи распыленного топлива;
- обоснована методика оптимизации расчетного исследования влияния совокупности технологических и регулировочных показателей на эффективные и экологические параметры дизеля на основе векторной оптимизации.
Практическая значимость. Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждают изменение рабочего процесса в цилиндре двигателя и, как следствие, улучшение экономических и экологических параметров дизеля за счет выбора наилучшей совокупности технологических и регулировочных показателей.
Влияние показателей на процесс распыливания топлива
Цикловая подача топлива и объем камеры сгорания, в момент впрыска топлива растут незначительно или сохраняют свои значения на прежнем уровне. Значение параметров впрыска топлива при наддуве рассмотрено в работе /1/. Автор провел расчетный анализ взаимосвязи показателей в процессах впрыска с параметрами дизеля, плотностью заряда в момент впрыска топлива и периодом задержки самовоспламенения ТІ. Однако, при выборе этих параметров, авторы ставят себе целью сохранение максимального давления сгорания Pz. Поэтому, взятые в качестве исходных данных для расчета, плотность воздуха в цилиндре к концу сжатия и период задержки воспламенения соответственно растет от 14,8 кг/м до 24,2 кг/м и уменьшается в 1,8 раза при повышении Рк от 0,1 до0,25 МПа. Не учитывалось и изменение размеров камеры сгорания при снижении є. Параметры заряда в цилиндре дизеля в конце сжатия можно оценить на основании данных С. И. Погодина, рис. 1.2.
Используя значения є, X, а, Рк и ge, по общеизвестными формулам определены параметры воздушного заряда в конце такта сжатия. (І.З.а) Изменение параметров ті, Z., и приведено на рисунке 1.3. Рост диаметра КС при повышении Ре с сохранением Pz (рис. 1.3) превышает рост дальнобойности топливного факела Li. Известно, что наилучшая экономичность дизеля достигается при условии, что за период ТІ вершины топливных факелов приближаются к стенкам КС. При форсировке дизеля необходимо сохранять соотношение между Dk и Li, т. е. Dk-Li=0. Таким образом, даже при снижении параметров зарядов в конце сжатия необходима интенсификация впрыска с целью увеличения Li. Интенсификация вызывается еще и необходимостью ограничить длительность впрыска тв, поскольку при форсировке дизеля растет цикловая подача, а чрезмерное затягивание впрыска при неизменных АР и dc ухудшает экономичность.
Анализ результатов расчета показывает, что интенсификация процесса впрыска топлива наиболее значима за счет dc. Увеличение Ре в 2 раза влечет за собой возрастание АР в 4 раза, что неприемлемо из-за ограничения работоспособности топливной аппаратуры. При интенсификации процесса впрыска за счет dc при АР=1, рост Li не успевает за ростом Dk (см. рис. 1.3) поэтому выполнение условия Dir- Lt=0 требует одновременно измерения dc и АР. Рост форсировки дизелей по Ре за счет применения наддува расширяет диапазон изменения параметров воздуха на входе в цилиндр пропорционально величине Рк. Это приводит к ухудшению условий смесеобразования на частичных режимах работы дизеля. Например, при работе по тепловозной характеристике дизеля ЧН 25/27 динамика факела, из-за совместного влияния изменения плотности заряда и давления впрыска топлива, практически не меняется /4, 5, 6/, но меняется ті из-за изменения параметров заряда. Нарушение соотношения Li и DK ведет к скоплению топлива в периферийной части КС, что приводит в дизелях с объемным смесеобразованием к затягиванию процесса сгорания и ухудшению топливной экономичности. Снижение интенсивности движения воздушного заряда при снижении є (росте DK) приводит к еще большему ухудшению смесеобразования.
Рабочий процесс зависит от таких составляющих как: показатели наполнения цилиндра свежим воздухом; процесс теплоотдачи; тепловое состояние камеры сгорания; вихреобразование в цилиндре. Эти составляющие изменяются на разных режимах работы двигателя и трансформируют протекание процесса сгорания топлива, а следовательно и рабочий процесс двигателя. Так, авторам 111 установлено, что режим работы двигателя влияет на показатели наполнения цилиндра, на изменение фаз газораспределения, на характер колебания воздуха во впускной системе, на время протекания впуска и выпуска, а также на тепловое состояние деталей двигателя. Для двигателей с наддувом уменьшается заряд воздуха в цилиндре на частичных режимах работы по сравнению с максимальным, вырастает неравномерность распределения воздушного заряда в 1,5-2,0 раза, что приводит к ухудшению протекания процесса сгорания и рабочего процесса в целом. При исследовании процесса топливоподачи на разных режимах работы двигателя /8-г27/ одним из основных показателей является остаточное давление топлива в нагнетательном трубопроводе ТНВД, которое определяет давление, продолжительность впрыска, цикловую подачу, неравномерность подачи топлива, изменение угла опережения впрыска, фазы топливоподачи последующего цикла. Процесс топливоподачи является одним из основных процессов определяющих протекание процесса сгорания топлива, который формирует параметры характеристики тепловыделения. Особенности процессов топливоподачи и смесеобразования приводит к повышению уровня дымности и токсичности ОГ дизеля /23-7-25/. Некоторое смещение подачи топлива к ВМТ, изменение частоты вращения коленчатого вала и прогрев камеры сгорания - все это сказывается на скорости тепловыделения и величине первого максимума характеристики тепловыделения /27/. Нарушение процесса сгорания топлива сопровождается повышением содержания в ОГ двигателя токсичных компонентов: оксидов азота, оксида углерода, углеводородов, сажи.
Из приведенных примеров видно, что для двигателей наблюдается, особенно в начальных фазах, заметное нарушение процесса сгорания топлива, соответственно характеристики тепловыделения, приводящее к ухудшению эффективных и экологических показателей двигателя, к увеличению динамических и тепловых нагрузок на детали и токсичности ОГ дизеля.
Двигатели внутреннего сгорания играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. К экологическим показателям дизеля относится шумность его работы и токсичность ОГ. Состав ОГ дизелей подобен составу ОГ других типов двигателей, использующих углеводородное топливо, отличие заключается в особенностях протекания рабочего процесса. Токсичность ОГ дизелей определяется в основном 0,1- -1% объема ОГ, в которые входят вещества, образующиеся в результате термического синтеза воздуха при высоких температурах (NOx-оксиды азота) и продукты неполного сгорания топлива (СО - оксид углерода, СНх -углеводороды, С - твердые частицы), а также оксиды серы, альдегиды, продукты конденсации и полимеризации. Оксиды азота занимают первое место среди вредных выбросов дизелей вне зависимости от их типа, класса, размерности и конструктивных особенностей. Образование N0 - оксида азота происходит в первой фазе сгорания - до момента достижения максимальной температуры сгорания и в период задержки воспламенения /32/. Доля оксидов азота в суммарных токсичных ОГ выбросах составляет 30-80%, а по массе 60-95% эквивалентной токсичности /33 35/. По составу оксидов азота в ОГ дизелей 95-98% приходится на оксид азота NO и 2-5% приходится на двуокись азота NO2. Токсилогический эффект воздействия оксидов азота на человека примерно в десять раз выше, чем оксида углерода. В законченном виде теория окисления азота при сгорании топлива изложена в работе /34/, в которой показано, что окисление азота происходит по цепному механизму, выход оксида азота определяется максимальной температурой сгорания и не зависит от химической природы горючего. Температура, вычисленная по индикаторной диаграмме, не может быть использована в кинетическом расчете процесса образования оксида азота. Я. Б. Зельдович для оценки образования окиси азота использовал мгновенную температуру адиабатного сгорания /34/. В дизелях целесообразно использовать температуру пламени для расчета оксида азота /27/.
Рабочий процесс и характеристика тепловыделения
Тепловой расчет теоретических циклов двигателей внутреннего сгорания по В.И.Гриневёцкому, впоследствии развитый Н.Р.Брилингом, Б.С.Стечкиным и Е.К.Мазингом /13- 23/ дает представление об индикаторных показателях цикла. Особенно большие трудности представляет участок сгорания топлива, основная разница между теоретическим циклом и действительным наблюдается именно на участке сгорания топлива. Поэтому, как отмечал Б.С.Стечкин /1II пользоваться таким тепловым расчетом во многих случаях нельзя. Крайняя сложность происходящих при этом наложенных друг на друга явлений и процессов, самовоспламенения, формирования и распространения пламени, тепловыделения и теплообмен усугубляют трудность теоретического и экспериментального исследования процесса сгорания топлива в дизелях. Если учесть также, что все эти процессы совершаются циклически в условиях дефицита времени при быстро протекающих физических параметрах рабочего тела, то станет понятной и очевидной противоречивость требований к наиболее совершенной организации процесса сгорания топлива в дизеле с позиций отдельных или нескольких явлений, сопровождающих этот процесс. С другой стороны, считается общепризнанным существенное влияние процесса сгорания топлива на работу дизеля. Поэтому большое число исследований посвящено анализу протекания процесса сгорания топлива в дизелях и установлению закона развития процесса сгорания и тепловыделения во времени. К этим исследованиям относятся классические работы Н.Р.Брилинга /13/, Е.К.Мазинга /14/ и А.Д.Чаромского /15/. В дальнейшем были сделаны попытки дать общий анализ процесса сгорания топлива на основе химической кинетики.
Во всех отмеченных работах за основу физических представлений процесса сгорания топлива принималась объемная реакция, одновременно развивающаяся по всему объему, что не совсем правильно отражает физику процесса сгорания топлива в дизеле. Выявление связей между параметрами сгорания топлива и показателями рабочего процесса, посвящены работы таких известных ученых как А.С.Орлин, П.Н.Вырубов, Т.М.Мелькумов, Н.Х.Дьяченко, М.С.Ховах, И.И.Гершман, З.Мойрер, Ф.Пишингер, А.Д.Брозе и др. Эти исследования показали, что влияние процесса сгорания топлива на показатели работы дизеля проявляется через характер выделения теплоты при сгорании топлива в цилиндре двигателя. В настоящее время исследование, связанное с рабочим процессом, сопровождается анализом тепловыделения в форме интегральных или дифференциальных характеристик тепловыделения, которые получаются после специальной математической обработкой индикаторных диаграмм с учетом закономерностей термодинамики, механики и теплопередачи. Существует ряд методов анализа индикаторных диаграмм /14,15,16,19,22/. В основе всех методик обработки индикаторных диаграмм лежит первый закон термодинамики, а различаются они, главным образом, способами учета тепловых потерь, изменением состава и количества рабочей смеси, оценкой качества процесса сгорания топлива. В работе /17/ выполнен обзор существующих методов расчета характеристик тепловыделения, где анализируются целый ряд допущений, принятых авторами, приемы вычислений и способы задания исходных данных. Наиболее распространенные для анализа индикаторных диаграмм получили эмпирические и полуэмпирические уравнения скорости тепловыдежения Б.М.Гончара /22/, И.И.Вибе /27/ и методика, разработанная лабораторией двигателей АН СССР /17/. Общим недостатком перечисленных методик является неполное отражение действительного протекания процесса сгорания топлива в дизеле. Законы сгорания, положенные в основу разработанных методик, не учитывают различный характер протекания сгорания топлива в цилиндре двигателя в разных фазах процесса, отмеченные в научной и учебной литературе /8 34/. При этом авторы отмечают наличие двух четко выраженных максимумов скорости тепловыделения в дизелях. В этой связи особое значение приобретает аппроксимация дифференциальных характеристик тепловыделения в дизелях, предложенная Н.Х.Дьяченко, Л.Е.Магидовичем, Б.П.Пугачевым /27/. Авторы рассматривают процесс сгорания топлива в дизеле состоящим условно из двух фаз, принципиально отличающихся друг от друга и одновременно начинающихся с процессом сгорания топлива. Разной природе сгорания в первой и второй фазах соответствует разный характер изменения скорости тепловыделения, которая описывается уравнением вида:
А.С.СОКОЛИК /18/ первым предложил рассматривать горение в дизеле, как процесс турбулентного распространения пламени от одного или нескольких очагов воспламенения, подтвердив это прямыми теплеровскими кинорегистрациями. В работе А.И.Воинова /21/ эта теория получила дальнейшее развитие на базе фото и кинорегистрация процесса сгорания топлива в бомбе и в специальной установке с прозрачной крышкой цилиндра. Рассмотрение процесса сгорания топлива как двухфазового процесса сгорания топлива в двигателях поршневого типа нашло широкое подтверждение в учебной и научной литературе /244-33/. Однако, одновременное начало двухфазового сгорания топлива с момента воспламенения топлива не совсем соответствует действительности протекания сгорания топлива, так как для диффузионного сгорания топлива должен быть сформировавшийся фронт пламени, на что требуется время. Поэтому, первично формирование фронта пламени из подготовленной горючей смеси за период задержки воспламенения, затем охват пламенем горячей смеси и ее интенсивное сгорание, именно в этот период происходит формирование фронта пламени, о чем свидетельствует непосредственная фото и кинорегистрация /22/. ЮБ.Свиридов в своих работах /24,25/ на основе большого опытного материала обосновывая гипотезу о трех типах горения в дизеле, так описывает процесс сгорания в дизеле: "Если сразу после образования очага горения часть заряда, подготовленная к сгоранию, охватывается пламенем, то в дальнейшем процесс сгорания развивается в зоне смешения, так что индикаторная диаграмма имеет серповидную форму с максимумом скорости сгорания в начале процесса сгорания. В общем случае Ш-й тип сгорания должен иметь две стадии: первоначальный охват пламени части смеси при активном тепловыделении и последующее сгорание несмешанных веществ при расположении пламени между горючим и окислителем (диффузионное горение)". Из сказанного следует, что процесс сгорания топлива начинается с образования первичных очагов воспламенения с последующим интенсивным охватом пламенем горючей смеси и активным тепловыделением. К этому времени стабилизируется фронт пламени и создадутся условия для диффузионного протекания процесса сгорания топлива, а затем со сдвигом по времени начнется последующее сгорание несмешанных веществ.
Математическая формулировка Парето - оптимальных функций по технологическим и регулировочным показателям дизеля
Задачу векторной оптимизации в теории управления технологическими и регулировочными показателями дизеля можно представить в следующем упрощенном виде /73/: поведение системы характеризуется п-мерным
вектором X=(Xi , Хп), Х-текушее значение показателя, характеризующего
параметры двигателя, оценивается К-мерным векторным критерием качества J(x)=[Ji(x), ..., Jk(x)], компоненты которого представляют собой заданные действительные функции изменяющихся параметров - критериев. Требуется определить точку хєХ, оптимизирующую значения функций изменяющихся показателей - критериев Ji(x), ..., Jk(x). Анализ методов решения задач векторной оптимизации показывает, что с точки зрения многокритери-альности и преимущества метода расчета наиболее целесообразно применение Парето-оптимальных решений компромиссного метода оптимизации, в основу которого положено определение идеальной точки в пространстве критериев качества и введение нормы в пространстве.
Полученное при этом компромиссное решение обеспечивает максимальную близость критериев качества к своим наилучшим значениям. Конкретизируем математические формулировку параметров дизеля на основе векторной оптимизации. Дизель и потребитель энергии представляют собой энергетический комплекс работающий на эксплуатационных режимах. В качестве критериев, характеризующих параметры двигателя, принято пять параметров, которые обладают наибольшей информативностью, такие как токсичность ОГ (NO,C), мощностные и экономические параметры двигателя. Эти параметры, характеризуют работу дизеля, изменяются с течением времени и являются нестационарными.
Поверхность отклика режимов работы дизеля формируется показателями, характеризующими режим работы систем двигателя: топливоподачи, воздухоснабжения, охлаждения, смазки. К показателям определяющим поверхность отклика относится: УОВТ, цикловая подача топлива, наибольшее давление впрыска топлива, давление начала подъема иглы форсунки, люфт привода распредвала, надплунжерньгй зазор, степень сжатия, расстояние от распылителя до поршня в ВМТ, давление и температура наддувочного воздуха, противодавление перед турбиной. Величина и интенсивность измерения пяти параметров, характеризующих работу дизеля, в совокупности определяются рабочим процессом судового двигателя. На показатели рабочего процесса оказывает формирующее влияние протекание процесса сгорания топлива сопровождающегося активным тепловыделением. Поэтому каждому процессу сгорания топлива соответствуют определенные значения параметров характеристики тепловыделения, особенно это важно при изучении влияния различных факторов на показатели рабочего процесса. Варьируя параметрами характеристики тепловыделения, можно оценить степень и характер влияния каждого из них на величину и интенсивность изменения показателей рабочего процесса в совокупности.
Координаты квадратичной метрики параметров двигателя определяют одно из Парето-оптимальных решений и являются координатами вектора качества параметров дизеля, характеризующих работу. Вектор качества параметров дизеля, характеризующих работу определяет, в конечном итоге, совокупность воздействий вектора качества технологических и регулировочных показателей двигателя. Вектор работы судового дизеля определяет параметры дизеля на режимах его работы по технологическим и регулировочным показателям, а технологические и регулировочные показатели формируют параметры поверхности отклика дизеля. Исходя из изложенного, вектор параметров судового дизеля формулируется следующим образом.
Таким образом, параметры судового дизеля определяются векторным критерием качества по совокупности технологических и регулировочных показателей, при этом существует векторный критерий качества параметров дизеля по параметрам поверхности отклика, который является мерой сравнения вектора параметров двигателя. При этом вектор технологических и регулировочных показателей и вектор поверхности отклика оптимизируются по минимуму вектора параметров судового дизеля.
1. Максимум эффективного крутящего момента, который определяет динамические качества судна; минимум удельного расхода топлива, которое определяет экономические показатели судового дизеля;
2. Парето-оптимальные функции обеспечивают совокупность значений: концентрации сажи в камере сгорания; оксида азота в цилиндре двигателя, которые определяют экологические показатели судового дизеля. Пять параметров судового дизеля, определяются вектор-функцией качества и характеризуют работу двигателя.
Таким образом, с помощью математического аппарата векторной оптимизации разработаны Парето-оптимальные решения и функциональные зависимости оптимальных параметров работы судового дизеля за счет совокупности технологических и регулировочных показателей.
Влияние показателей на параметры струи топлива
Реальный процесс истечения топлива из соплового отверстия распылителя форсунки происходит при давлении в предсопловом канале Р] = (20-ЩМПа и давлении среды Р2 = (2-в)МПа. При этом, используемое для Р — Р оценки интенсивности кавитации в сопле /70,72/, число кавитации К = —— составляет 10-30 единиц. Для таких значений К коэффициент расхода //с практически постоянен и равен //с при истечении топлива в среду без противодавления. Экспериментальное определение коэффициента расхода сопловых отверстий ілс проводилось проливом распылителей без иглы в среду без противодавления при постоянном перепаде давления. При этом обеспечивался Re 10", т.е. когда цс = const, и процесс истечения автомоделей реальному процессу. Расход топлива замерялся весовым способом отдельно для исследуемого соплового отверстия и для остальных восьми отверстий. Разделение топлива осуществлялось при помощи специального отделителя.
Давление топлива измерялось образцовым манометром класса 0.5. Расход топлива измерялся весами ценой деления 1г, погрешность 0.3-0.5 %. Отсчет времени и отсечка топлива осуществлялась при помощи электрического устройства с реле времени, имеющим точность задания времени до 0.01 с, относительная погрешность (t = 30с) составляла 0.03%. Диаметр отверстия измерялся калибрами с точностью 5 мкм. Относительная погрешность определения / составляла 3%.
Исследования динамики топливной струи проводилась фоторегистрацией впрыска топлива в "холодную" бомбу, заполненную сжатым воздухом. Высвечивание топливной струи осуществлялось одиночным световым импульсом, что позволило получить достаточно четкое изображение струи. Синхронизация момента вспышки осуществлялось способом аналогичным использованному в установке голографического исследования топливной струи /78/, т.е. путем фиксирования действительного начала впрыска лучом лазера и вырабатывания синхронизирующим устройством запускающего импульса. Такой способ синхронизации в отличие от синхронизации по углу вала насоса /30/ исключает погрешности измерений, связанные с наличием зазоров упругих деформаций привода плунжера, вибрации элементов топливной аппаратуры и т.д. На рис. 4.3 схематично изображена экспериментальная установка для исследования топливной струи. Топливо подается к форсунке 1 от насоса высокого давления 2, приводимого от электродвигателя через ременную передачу. Скорость вращения вала насоса регулируется реостатом , а замер ее производится тахометром . Форсунка установлена в бомбе 3 прозрачными стенками . Зарядка бомбы осуществляется воздухом от баллона через редуктор. Давление воздуха замеряется манометром. Фоторегистрация топливной струи производится фотоаппаратом 4 при освещении ее лампой .
Запуск импульсной лампы производится при помощи лазера , луч которого проходит под срезом сопла форсунки, пересекает топливную струю и направлен на светоприемник . При пересечении луча топливной струей освещенность светоприемника падает, и связанное с ним синхронизирующее устройство вырабатывает с заданной временной задержкой электрический импульс, запускающий разрядное устройство. Заданная производительность обеспечивалась тем, что фотографирование топливной струи производится только при положении рейки топливного насоса 2 на упоре , имеющим контакты, которые осуществляют разрешение запуска лампы . Форсунка оборудована отделителем топлива, что позволило при использовании многодырчатого распылителя выделить для фотосъемки одну топливную струю. Установка оборудована приборами и устройствами позволяющими производить замеры следующих величин: давление воздуха в бомбе определялась образцовым манометром класса 0.5; температура воздуха в бомбе замерялась термометром с ценой деления 1,0; частота вращения вала топливного насоса замерялась ручным тахометром 9ЧП с ценой деления 5 об/мин; задержка времени запуска импульсной лампы обеспечивалась генератором импульсов Г5-15 с точностью 0,5-КГ5?.
В установке использованы: топливный насос и форсунка дизеля типа ЧН 16/17; фотоаппарат "Зенит Е"; импульсная лампа ИФК-500; разрядное устройство, разработанное в ЦНИДИ для стробоскопического исследования топливной аппаратуры /74-76/.
Предварительно, с целью определения при заданных условиях перепада давления в сопловом канале {Рх-Р2) были проведены исследования по впрыску топлива в среду без избыточного давления /65/. При этом был подобран распылитель, эффективное проходное сечение с/с. Для определения перепада давления в сопловом канале использовано пьезоэлектрическое измерительное устройство РМ-4 с пьезокварцевым датчиком, подключенным к дополнительному каналу в распылителе. Масштаб осциллограмм давления впрыска определялся путем статической тарировки с использованием образцового манометра класса 0.5. При обработке фотограмм развития топливной струи был использован инструментальный микроскоп. Погрешность измерения длины топливной струи составляла 0.5мм и угла —0,2.
Исследования динамики топливной струи производились с использованием распылителей, изготовленных на базе серийных распылителей 9x0,3x142 дизеля типа ЧН 16/17. Количество отверстий распылителей сохранено равным 9, что позволяет иметь в эксперименте турбулентную струю потока топлива в предсопловом канале, идентичную с реальным процессом впрыска в дизеле. Исследуемое сопловое отверстие выполнено по оси распылителя. Размеры его приведены в таблице 4.6. Размеры остальных 8 отверстий всех распылителей одинаковы и составляют dc = 0,3мм, 1С = 2,59мм. Изменение длины сопла распылителей №13-18 производилось доработкой распылителя с целью исключения в эксперименте случайных погрешностей, обусловленных нестабильностью выполнения входной кромки сопла распылителя.
