Содержание к диссертации
Введение
1. Перспективные направления совершенствования смесеобразования в двигателях с распределенным впрыскиванием бензина
1.1. Оценка перспектив развития силовых установок легковых автомобилей 12
1.2. Феноменологическое описание смесеобразования в двигателе с распределенным впрыскиванием бензина 17
1.3. Анализ перспективных направлений совершенствования смесеобразования в бензиновом двигателе 25
1.4. Существующие системы вихреобразования, применяемые для интенсификации смесеобразования и сгорания в бензиновых двигателях 42
1.5. Выводы, цель и задачи исследования 51
2. Теоретические предпосылки применения закрученных воздушных потоков для интенсификации смесеобразования
2.1. Способы закрутки потока и критерии оценки ее интенсивности 54
2.2. Особенности структуры закрученных течений 62
2.3. Тепло- и массообмен в закрученных потоках 70
2.4. Особенности применения закрученных воздушных потоков во впускном канале двигателя 76
3. Экспериментальное исследование интенсивности образования топливовоздушной смеси при различных условиях во впускном канале
3.1. Задачи экспериментального исследования 80
3.2. Экспериментальная установка для моделирования и исследования процессов смесеобразования в двигателях с впрыскиванием бензина 80
3.3. Методика проведения эксперимента 93
3.4. Анализ образования топливной пленки с помощью визуализации двухфазного прямоточного и закрученного топливовоздушных потоков 97
3.5. Результаты исследования интенсивности испарения бензина при различных условиях в испарительном канале 106
4. Расчетно-экспериментальное исследование закрутки воздушного потока во впускных каналах двигателя
4.1. Задачи исследования 120
4.2. Расчет тангенциально-щелевых закручивающих аппаратов 120
4.3. Исследование работы штатной впускной системы двигателя с устройством для закрутки воздушного потока во впускных каналах 142
5. Стендовые моторные испытания макета системы для закрутки воздушного потока во впускных каналах бензинового двигателя
5.1. Задачи испытаний 156
5.2. Оборудование, аппаратура и методика испытаний 156
5.3. Разработка макета системы для закрутки воздушного потока во впускных каналах двигателя 163
5.4. Результаты стендовых моторных испытаний и их анализ 170
Выводы и рекомендации 183
Библиографический список 185
Приложения
- Анализ перспективных направлений совершенствования смесеобразования в бензиновом двигателе
- Особенности применения закрученных воздушных потоков во впускном канале двигателя
- Экспериментальная установка для моделирования и исследования процессов смесеобразования в двигателях с впрыскиванием бензина
- Исследование работы штатной впускной системы двигателя с устройством для закрутки воздушного потока во впускных каналах
Введение к работе
Сегодня борьба за сохранение окружающей среды и экономию топливных ресурсов являются приоритетными направлениями развития мирового двигателестроения. На это направлены разработанные и введенные в действие в странах Западной Европы нормы по токсичности автотранспортных средств EURO I (1993 r.)s EURO II (1996 г.), EURO III (2000 г) и перспективные нормы EURO IV (2005 г.). Обеспечение данных требований в автомобильных бензиновых двигателях возможно только с применением систем впрыскивания топлива (СВТ).
Проведенный статистический анализ мирового производства двигателей легковых автомобилей показывает, что системы распределенного впрыскивания топлива (РВТ) занимают явно доминирующее положение среди других систем топливоподачи бензиновых двигателей (95 %). Можно утверждать, что в ближайшем будущем их применение будет продолжаться, а сами системы — совершенствоваться.
Показатели токсичности отработавших газов (ОГ) и экономичность двигателя во многом определяется качеством образования топливовоздуш-ной смеси (ТВС), поэтому вопросы дальнейшего совершенствования смесеобразования при РВТ по-прежнему остаются актуальными.
Анализ процессов, протекающих при образовании смеси в бензиновом двигателе, показал, что для дальнейшего их совершенствования при использовании РВТ необходимо взаимосвязанное решение следующих основных задач:
- обеспечение интенсивного и определенным образом направленного движения воздушного потока во впускном канале, а также в цилиндре двигателя на различных скоростных и нагрузочных режимах его работы;
- организация ввода топлива в воздушный поток, обеспечивающая создание предельно гомогенной ТВС к началу ее горения в цилиндре двигателя, что наиболее целесообразно при внешнем смесеобразовании.
Автомобильный бензиновый двигатель в условиях городского движения около 90 % работает на частичных нагрузочных и скоростных режимах, на которых интенсивность процессов смесеобразования недостаточна, а сгора -10 -ниє протекает вяло. Анализ известных способов снижения токсичности и повышения топливной экономичности показал, что для решения указанных проблем на частичных режимах работы бензиновых двигателей перспективным следует признать использование дополнительной турбулизации заряда путем закрутки воздушного потока. Однако имеющиеся технические решения имеют резервы по эффективности их применения и, в первую очередь, за счет исследования влияния закрутки воздушного потока на интенсивность смесеобразования.
Вопросы смесеобразования в бензиновых двигателях были ранее исследованы в работах Г.П. Покровского, К.А. Морозова, Б.Я. Черняка, Ю.Б. Свиридова, А.Р. Бенедиктова, Л.Г. Спекторова, А.П. Меркулова, R.V. Esperti, S. Kajitani, Т. Ando, M.F. Bardon, V.K. Rao и др. Однако следует отметить, что ни в одной из известных нам работ сравнительных исследований образования ТВС в закрученных и прямоточных потоках во впускных каналах двигателя с РВТ не проводилось.
Цель данной работы - исследование закономерностей испарения бензина в прямоточных и закрученных топливовоздушных потоках и создание на этой основе устройств, обеспечивающих интенсификацию смесеобразования во впускных каналах двигателя с РВТ для улучшения его энергетических и экологических показателей.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:
- создание лабораторной установки и разработка методики исследования процессов испарения бензина в стационарных и нестационарных прямоточных и закрученных топливовоздушных потоках;
- экспериментальное исследование влияния параметров закрученного течения на эффективность испарения бензина при различных условиях во впускном канале;
- расчетно-экспериментальное исследование газодинамических процессов в системе впуска при закрутке потока во впускных каналах двигателя;
- создание макетного образца перспективного устройства для организации закрутки воздушного потока во впускных каналах автомобильного двигателя с распределенным впрыскиванием бензина;
- экспериментальное определение влияния закрутки потока во впускных каналах двигателя на его энергетические и экологические показатели.
Научная новизна работы заключается:
- в экспериментально определенных закономерностях испарения бензина в условиях прямоточного и закрученного движения стационарного и пульсирующего воздушного потока;
- установленном влиянии параметров закрученного потока воздуха на интенсивность процессов испарения бензина;
- выявленных особенностях газодинамических процессов в системе
впуска при организации закрутки потока во впускных каналах двигателя.
Практическую ценность работы представляют:
- лабораторная установка для моделирования и исследования процессов испарения бензина в условиях прямоточного и закрученного движения стационарного и пульсирующего воздушного потока;
- разработанные рекомендации по конструированию закручивающих аппаратов для вихреобразования во впускных каналах двигателя;
- предложенная конструкция системы для организации закрутки воздушного потока во впускных каналах двигателя с РВТ;
- полученные результаты исследования влияния вихреобразования во впускных каналах двигателя с распределенным впрыскиванием бензина на его энергетические и экологические показатели.
Исследования выполнялись в рамках гранта Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук ЖГО2-13.0-774 (Г-350) «Создание и исследование высокоэффективных сме-сеобразующих устройств для улучшения энергетических и экологических показателей автомобильных двигателей с впрыскиванием бензина».
Автор выражает искреннюю благодарность за помощь и поддержку при выполнении работы коллегам - П.В. Абрамову, Ю.В. Яновичу, О.А. Свирину, А.Е. Архипову.
Анализ перспективных направлений совершенствования смесеобразования в бензиновом двигателе
С развитием автомобильных поршневых двигателей сложность их конструкции и организации процессов неуклонно возрастают. Появление и развитие в последнее время систем НВТ обусловлено, в первую очередь, стремлением поднять процессы смесеобразования в бензиновых двигателях на качественно иной, более высокий уровень.
Использование непосредственного впрыскивания бензина в цилиндр связано с применением принципа внутреннего смесеобразования в бензиновых двигателях. Это позволяет реализовать сложные стратегии управления за счет управляемого смесеобразования и сгорания в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. Все поле скоростных и нагрузочных режимов разбивается на три-четыре зоны, в пределах которых обеспечивается наиболее выгодный для данной зоны процесс - режим гомогенного или расслоенного сгорания (рис. 1.6.). В результате двигатель может эффективно работать в широком диапазоне состава смеси от а= 1.7...3.4 при глубоком расслоении смеси до а = 0.85.. .1.0 при гомогенной смеси [19].
Уже сейчас применение НВТ позволяет осуществлять качественное регулирование двигателя (без дросселирования) и работать с высокими степенями сжатия (є= 12...14 ед.) без детонации, что стало возможным только с использованием сложных алгоритмов управления топливоподачей и зажиганием при охлаждении камеры сгорания испаряющимся топливом. Комплексное использование преимуществ внутреннего смесеобразования позволяет значительно снизить расход топлива, особенно на малых нагрузках, где эффект может достигать 30.. .35% при одновременном повышении мощности на 10%. [19,20].
Проблема токсичности ОГ ультрабедных двигателей - одна из наиболее сложных, т.к. обычный трехкомпонентный нейтрализатор эффективно очищает продукты только стехиометрического сгорания. Решить эту проблему позволяет новый трехкомпонентный DENOX нейтрализатор адсорбционного типа, способный накапливать оксиды азота при работе на бедных смесях и периодически регенерировать их при кратковременной (не более 1 с) работе на богатых или стехиометрических смесях. Коэффициент конверсии оксидов азота в таком нейтрализаторе в диапазоне температур 350...550 С достигает 70...90% [19]. Потери же топливной экономичности, связанные с кратковременным обогащением смеси, не превышают 1%.
Несмотря на максимальную реализацию всех преимуществ впрыскивания топлива и лучшие показатели экономичности и токсичности, двигатели с НВТ пока не получили широкого распространения. Причинами это являются сложность и высокая стоимость топливоподающей аппаратуры, проблемы нейтрализации оксидов азота в продуктах ультрабедного сгорания, повышенные требования к топливу и к качеству сервисного обслуживания. Решение же этих проблем в условиях нашей страны может задержать широкомасштабное внедрение НВТ на десятилетия. Фирма Mitsubishi (Япония) даже сокращает проведение работ в области двигателей с НВТ. Причиной этого явилось то, что эти двигатели не оправдывают надежд в техническом плане и имеют при этом слишком высокую стоимость.
Поэтому у бензиновых двигателей с iVh 1,6 л, где наиболее важными факторами являются простота и невысокая стоимость конструкции, системы РВТ получат дальнейшее развитие, а задача совершенствования внешнего смесеобразования путем интенсификации основных процессов, протекающих во впускном трубопроводе, по-прежнему является актуальной. При этом улучшение качества распыливания топлива форсункой приведет к увеличению роли объемного смесеобразования, а создание условий для эффективного испарения топливной пленки на различных режимах работы двигателя — к увеличению роли пленочного смесеобразования.
Современная стратегия подготовки ТВС при внешнем смесеобразовании предполагает газификацию и гомогенизацию свежего заряда [10, 28-32, 56, 57 и др.]. При этом под газификацией следует понимать превращение жидкого топлива в горючие газы, а под гомогенизацией — процесс создания однородной ТВС [22, 23]. Известно, что добиться приемлемой газификации свежего заряда при внешнем смесеобразовании удается в немалой степени за счет внутрицилиндровых процессов, т.к. температура стенок, образующих камеру сгорания, достаточно высока, свежий заряд обладает приемлемой турбулентностью и времени для полного испарения цикловой дозы топлива на такте впуска и сжатия достаточно. Однако управлять гомогенизацией или расслоением заряда в условиях РВТ достаточно сложно. Именно поэтому многими исследователями отмечается, что наиболее приемлемым при внешнем смесеобразовании является создание предельно возможной однородности ТВ С на всех режимах работы двигателя.
Весь комплекс мероприятий, направленных на улучшение гомогенизации ТВС, поступающей в цилиндры двигателя, можно разделить на следующие направления исследований: 1) улучшение качества распыливания топлива форсунками; 2) воздействие на ТВС и использование пленочного испарения топлива; 3) рациональная организация движения воздушного потока во впускном канале и цилиндре двигателя на различных скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя. Для оценки качества распыливания используют определение величины среднего диаметра капель, для чего предлагается ряд формул (среднеарифметический диаметр, средиемассовый диаметр, медианный диаметр и т.д.). Выбор того или иного способа определения среднего диаметра капель зависит от тех целей, для которых осуществляется распыливание жидкости. Традиционно используемые оценки среднего диаметра капель применительно к распиливанию топлива в двигателях можно представить в виде обобщенной формулы [21, 35, 36]:
Особенности применения закрученных воздушных потоков во впускном канале двигателя
Определяющим размером является расстояние х от закручивающего устройства, определяющей температурой - среднемассовая температура потока в рассматриваемом сечении. В число Реинольдса входит максимальная осевая скорость в сечении х.
Таким образом, можно заключить, что закрутка потока является эффективным способом интенсификации процессов тепло- и массообмена с внутренней поверхности цилиндрического канала. Однако применение закрученных потоков во впускных каналах двигателя сопровождается особенностями, которые обсуждаются ниже. В случае применения закрутки воздушного потока в условиях реального впускного канала головки цилиндров бензинового двигателя можно отметить ряд особенностей, которые влияют на структуру закрученного потока: - канал относительно короткий tld = 3...5 и стабилизации течения в пределах этой длины не происходит; - канал криволинейный (как правило, ось воздушного потока совершает поворот на 60.. .90); - стержень клапана расположен поперек потока; - клапанная щель осуществляет диафрагмирование потока, оказывая влияние на структуру потока как вниз, так и вверх по течению; - поток во впускном канале является нестационарным (пульсирующим). Кроме этого важным фактором, значительно усложняющим исследования, является много компонентность топлива, неравномерность испарения отдельных фракций и связанное с этим сильное изменение термодинамических свойств парогазовой смеси. В работе [114] отмечается, что распределение компонентов в топливной пленке можно всегда считать равномерным, в то время как равновесное распределение концентрации паров в пограничном слое газа не достигается.
В зависимости от типа закручивающего аппарата стабилизация течения происходит по-разному. Применение многозаходных завихрителей существенно уменьшает относительную длину канала, на которой происходит выравнивание структуры течения. Как указывалось ранее, впускные каналы в головке цилиндров двигателя можно считать относительно короткими, и, следовательно, течение в них будет обладать особенностями, присущими начальным участкам закрученных потоков.
Аэродинамика потока в цилиндрических каналах малой длины (fd =0,5...4) характеризуется рядом особенностей, которые могут использоваться для эффективной организации и интенсификации процессов тепло- и массообмена. При определенной степени закрутки потока, длине канала и других условиях истечение закрученного потока в среду той же физической природы (например, газ в газ) приводит к возникновению нестационарных (пульсирующих) режимов течения, характеризующихся формированием крупномасштабных периодических пульсаций давления и скорости. При этом частота основного тона колебании скорости и давления может быть определена следующим образом [93]: где/- частота колебаний, Ind- длина и диаметр канала соответственно, wcp — среднерасходная скорость потока в канале.
В работе [112] были проведены расчетные и экспериментальные исследований гидродинамики течения при закрутке потока во впускных каналах. В результате было получено, что потери давления при проходе закрученного течения через клапанную щель меньше, чем у осевого потока. Кроме того, установлено изменение перераспределения долей потока воздуха, проходящих через дальнюю и ближнюю сторону клапанной щели. Наибольшие скорости при закрутке потока во впускном канале наблюдаются со стороны выпуклой стенки, что обусловлено появлением дополнительного наклона вектора скорости вызванного закруткой. Экспериментально было определено, что это изменяет характер течения свежего заряда внутри цилиндра.
В этой же работе было установлено, что диафрагмирование закрученного потока клапаном вызывает также перестройку структуры во впускном трубопроводе вверх по течению. Этот результат хорошо согласуется с другими исследованиями [67, 100, 106]. С уменьшением хода клапана расширяется область обратных течений. При этом степень искажения профиля осевой скорости сильно зависит от подъема клапана. Чем меньше подъем клапана, тем сильнее выражено его влияние. При этом профиль тангенциальной скорости практически не изменяется.
Вместе с тем, затраты энергии на вихреобразование снижают наполнение цилиндров [113]. Поэтому, как было отмечено, целесообразно применять регулирование интенсивности вихреобразования, вплоть до полного его прекращения. Приведенный анализ исследований в области закрученных течений позволяет считать, что эти течения могут использоваться для интенсификации смесеобразования в двигателях с системами распределенного впрыскивания бензина. Для реализации возможностей использования закрученных воздушных потоков во впускных каналах двигателя необходимо решить ряд задач: - выявить влияние пульсаций расхода закрученного воздушного потока на интенсивность фактической закрутки и характер процессов, протекающих во впускных каналах; - исследовать влияние элементов штатной впускной системы (ресивер, впускной трубопровод) на структуру закрученного течения во впускных каналах; - исследовать влияние конструктивных особенностей тангенциальных закручивающих аппаратов на интенсивность закрутки. Таким образом, на основе данного исследования необходимо создать впускную систему с закруткой воздушного потока во впускных каналах двигателя, которая бы позволяла осуществлять регулирование интенсивности вихреобразования и, тем самым, улучшить главные показатели двигателя на частичных скоростных и нагрузочных режимах его работы.
Экспериментальная установка для моделирования и исследования процессов смесеобразования в двигателях с впрыскиванием бензина
Одним из основных факторов, определяющих скорость испарения жидкости (как диспергированной, так и в виде пленки), является площадь поверхности раздела фаз. Учитывая нестационарный характер взаимодействия воздуха и топлива при его дискретном впрыскивании в испарительный канал, а также сложность движения пульсирующего прямоточного и закрученного воздушного потока, следует заключить, что невозможно проследить и охарактеризовать детальное распределение во времени и в пространстве поверхностей фаз. Однако распределение поверхностей разделения фаз таково, что оно непременно относится к одной из типичных разновидностей двухфазного течения и расчет двухфазного течения может быть проведен с помощью таких независимых переменных системы как расходы каждой из фаз и их физические свойства. Применительно к двухфазным потокам во впускном канале двигателей с впрыскиванием бензина наибольший интерес представляют возможные режимы течения в горизонтальных и наклонных каналах [115]. Сложность горизонтальных течений обусловлена наличием гравитации, которая вызывает асимметричное распределение фаз относительно оси канала. Характерные режимы течения в горизонтальных каналах показаны на рис. 3.14.
Пузырьковое и пробковое течения. При таких режимах течения газовая среда в виде отдельных пузырьков (больших или малых) распределена в сплошной среде жидкости. При горизонтальном течении наблюдается тенденция к концентрации пузырей в верхней части канала. Данные режимы на практике никогда не реализуется во впускном канале двигателя, поэтому в дальнейшем мы не будем их рассматривать.
Расслоенное течение. В этом случае разделение жидкой и газообразной фаз полное. Жидкость течет по дну канала, а газ над ней. Поверхность раздела фаз легко рассчитывается. Данный режим часто рассматривается при упрощенном описании движения топливной пленки во впускном канале двигателя.
Волновое течение. Если при расслоенном течении происходит увеличение скорости газа, то на поверхности слоя жидкости начинают возникать поверхностные волны. Волны также могут создаваться пульсациями воздушного потока из-за периодического изменения вследствие этого касательных напряжений на поверхности раздела фаз. Этот режим наиболее распространен во впускном канале двигателя при прямоточном потоке воздуха.
Волновое течение с перемычками. Если при волновом течении происходит значительное увеличение скорости газа, а количество жидкой фазы в канале достаточное, то волны на ее поверхности становятся настолько большими, что достигают верхней стенки канала. Данный режим также рассматривать не будем, т.к. при применяемых соотношениях воздух/топливо он не реализуется во впускном канале двигателя. Характерные режимы двухфазного течения в горизонтальном и наклонном каналах [115]: а) - пузырьковое течение; б) — пробковое течение; в) -расслоенное течение; г) — волновое течение; д) - волновое течение с перемычками; е) кольцевое течение
Кольцевое течение. Этот режим течения характеризуется тем, что на стенках канала имеется слой жидкости в виде пленки, которая представляет собой более или менее непрерывную поверхность раздела с потоком, со - 100 -стоящим главным образом из газа, движущемся в центре канала. При этом пленка может содержать или не содержать пузырьки газа, а центральный поток может содержать или не содержать капли или более крупные включения жидкости. Если данный режим течения реализуется в горизонтальном или наклонном канале, то толщина пленки жидкости у нижней части канала несколько больше, чем у верхней. Очевидно, что при таком режиме площадь раздела фаз по сравнению с расслоенным или волновым течением существенно увеличивается, что не может не способствовать усилению массооб-менных процессов. Как будет показано далее, при определенных условиях данный режим течения может быть практически реализован во впускном канале двигателя с впрыском бензина.
Для изучения образования топливной пленки при различных вариантах подвода топлива и воздуха вместо описанного испарительного канала устанавливалась стеклянная трубка, и цифровым фотоаппаратом фиксировались характерные картины распределения капель и пленки топлива при различных расходах воздуха и цикловых подачах как в стационарном, так и в пульсирующем потоке.
План эксперимента включал в себя исследование взаимодействия топлива с воздушным потоком при разных комбинациях указанных способов подвода топлива и воздуха. Характерные картины течения топливной пленки при различных расходах воздуха и частотах пульсации воздушного потока представлены на рис. 3.15.-3.17.
Первичные эксперименты при стационарном движении воздушного по тока показали существенную разницу в распределении топливной пленки по поверхности канала при разных вариантах движения воздуха.
Исследование работы штатной впускной системы двигателя с устройством для закрутки воздушного потока во впускных каналах
Для проверки данного предположения было решено провести вычислительный эксперимент с использованием программы FlowVision. Методика расчета» применяемые математические модели, граничные и начальные условия использовались такие же, как и при расчетах, приведенных выше в разделе 4.2.
Расчетная область была модифицирована путем добавления дополнительного объема за закручивающим аппаратом (рис. 4.19).
Анализ результатов расчета показал, что в дополнительном объеме формируется интенсивное вихревое движение, как в плоскости, перпендикулярной оси канала, так и в плоскости, проходящей через ось канала (рис.4.20). Закрученный воздух двигается по периметру дополнительной полости к ее торцу, и по мере его продвижения его интенсивность падает. Одновременно в дополнительном объеме образуется обратное осевое течение воздуха по направлению к закручивающему аппарату. Этот осевой поток взаимодействует с развивающимся вихревым движением в закручивающем аппарате и основном объеме канала. При этом структура основного потока существенно изменяется. На рис. 4.21. представлены безразмерные профили осевой и тангенциальной скоростей в трех плоскостях, находящихся на разном удалении от завихрителя, которые представляют собой отношения соответствующей абсолютной скорости к среднерасходной скорости потока в канале. На рис. 4.18(a) видно, что при степени закрутки Фг=1,6 без дополнительного объема в зоне за завихрителем образуется зона обратных течений (положительные значения осевой скорости относятся к потоку, направленному к выходу из расчетной области). При добавлении объема за завихрителем, в нем создается осевой поток, приводящий к исчезновению указанной зоны обратных течений. Кроме того, существенно уменьшается фактическая степень закрутки (рис. 4.22).
Анализируя графики, представленные нарис. 4.21, можно видеть, что на начальном участке после завихрителя (/d 3,0) существенно различаются не только профили осевых, но и в профили тангенциальных скоростей. Ниже по течению разница становится меньше, и течение становится ближе к потенциальному.
В работе [112] отмечается, что при удалении тангенциального ввода потока от торца вихревого канала потери давления в устройстве заметно уменьшаются. Исходя из полученных результатов, этот эффект можно объяснить следующим образом. При удалении тангенциального подвода от торца канала в области за завихрителем образуется дополнительный ("паразитный") объем, в котором формируется закрученное течение с обратным осевым током. Осевой поток, продвигаясь вниз по течению, ослабляет закрутку потока в вихревом канале, что приводит к снижению общего сопротивления устройства. При этом затраты энергии, идущие на образование "паразитных" вихревых движений в дополнительном объеме за завихрителем, несколько меньше, чем снижение потерь в результате уменьшения интенсивности закрутки на основном участке канала. Разница этих затрат и обуславливает снижение общего сопротивления частично-закрученного потока.
Анализируя структуру закрученного течения на основном участке канала в случае наличия дополнительного объема можно отметить, что она качественно схожа со структурой частично-закрученного потока [67, 68, 70 и др.]. Однако в данном случае расход осевого потока равен нулю. Это позволяет данную схему закрутки как особый случай частично-закрученного потока.
Анализ изменения фактической степени закрутки потока по длине канала при работе с дополнительным объемом за закручивающим аппаратом (рис. 4.22) показывает, что снижение интенсивности закрутки потока может достигать 12.. ,16 % относительно канала без дополнительного объема. Существенным является то, что указанное снижение интенсивности закрутки достигается на участке канала /d= 1,0...5,0, который является наиболее важным для протекания процессов тепломассообмена. Кроме того, длина пути смешивания воздуха и топлива в двигателях с РВТ (т.е. длина впускного канала в головке цилиндров) редко превышает указанный диапазон.
Для изучения влияния дополнительного объема на интенсивность массообменных процессов была проведена специальная серия лабораторных экспериментов на установке для исследования испарения бензина в прямоточном и закрученном стационарном или пульсирующем потоках воздуха, подробно описанной в гл. 3. В первом приближении можно допустить, что снижение скорости испарения топлива в частично-закрученном потоке будет пропорционально снижению фактической степени закрутки на основном участке канала. Однако в условиях пульсирующего воздушного потока ситуация может быть иная. Можно предположить, что в пульсирующем потоке влияние дополнительного объема будет существеннее.
Для моделирования процессов испарения в частично-закрученных нестационарных потоках была сделана модификация испарительного канала экспериментальной установки (рис. 4.23). Перемещая поршенек, можно плавно изменять величину дополнительного объема за закручивающим аппаратом и тем самым достигать различного снижения фактической степени закрутки. Проведенное расчетное исследование показало, что с уменьшением величины дополнительного объема его влияние также пропорционально уменьшается.
Экспериментальные исследования интенсивности испарения бензина при различных величинах дополнительного объема подтвердили найденное расчетным путем его влияние. В основной части экспериментальных исследований дополнительный объем устанавливался максимальным и равным половине объема основного канала, что соответствует объему канала во впускной трубе двигателя ВАЗ-2111.
Особенности влияния нестационарного воздушного потока на развитие закрученного течения и, как следствие, на интенсивность процессов тепломассообмена были отмечены в гл. 3. В случае частичной закрутки потока сохраняются основные закономерности влияния пульсаций потока на скорость испарения топлива в нем (рис. 4.24, 4.25).
Для того чтобы оценить снижение интенсивности испарения бензина при частичной закрутке можно обработать полученные данные в относительных единицах (рис. 4.26). Таким образом, снижение скорости испарения бензина для указанной величины дополнительного объема находится в пределах 8,5..10,5 % (при v= 10...40 Гц и Vcp = 5,2...7,9 м/с).
