Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования 15
1.1. Открытые камеры сгорания форсированных дизелей 15
1.2. Взаимодействие факела распыленного топлива со стенкой камеры сгорания 23
1.3. Структура и моделирование дизельного топливного факела 30
1.4. Заключение по анализу состояния вопроса и постановка задач исследования 48
2. Моделирование структуры струи-распылепиого топлива и ее взаимодействия со стенкой камеры сгорания 52
2.1 Уточненное моделирование структуры свободной струи распыленного топлива 52
2.1.1 Определение параметров жидкой и газообразной фаз в переходном сечении струи 54
2.1.2 Определение параметров жидкой и газообразной фаз на основном участке струи 60
2.2. Моделирование взаимодействия топливной струи с плоской преградой 65
2.2.1 Моделирование течения в области взаимодействия газовой струи с плоской преградой 66
2.2.2 Движение капель топлива в потоке воздуха в области взаимодействия струи с преградой 83
3. Методика профилирования и выбор формы опытных камер сгорания 87
3.1. Методика профилирования 87
3.2. Выбор формы опытных камер сгорания для экспериментальных исследований на одноцилиндровом дизеле 94
4. Методики экспериментальных исследований, экспериментальные установки и измерительная аппаратура 108
4.1. Экспериментальные установки, методика безмоторных исследований процессов топлшюподачи и взаимодействия струй с преградами 108
4.2. Стенд одноцилиндрового дизеля и методика моторных исследований опытных камер сгорания 120
5. Экспериментальные исследования процесса взаимодействия струй со стенкой и параметров одноцилиндрового дизеля с опытными камерами сгорания 130
5.1 Исследования развития топливного факела, взаимодействия струй с плоской преградой и определение параметров топливоподачи 130
5.2 Экспериментальные исследования влияния формы камеры сгорания на показатели одноцилиндрового дизеля 141
5.2.1. Влияние контакта боковой поверхности конуса топливного факела с поверхностью камеры сгорания 141
5.2.2. Влияние распределения воздуха и отраженного топлива в камере сгорания на показатели одноцилиндрового дизеля 146
5.2.3. Изменение показателей одноцилиндрового дизеля при изменении угла наклона периферии днища поршня 154
5.2.4. Влияние изменения длины полета факела до стенки камеры сгорания на показатели одноцилиндрового дизеля 160
Выводы 170
Литература
- Открытые камеры сгорания форсированных дизелей
- Уточненное моделирование структуры свободной струи распыленного топлива
- Выбор формы опытных камер сгорания для экспериментальных исследований на одноцилиндровом дизеле
- Экспериментальные установки, методика безмоторных исследований процессов топлшюподачи и взаимодействия струй с преградами
Введение к работе
В настоящее время поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания продолжают занимать лидирующие позиции в качестве основных силовых установок для транспортных, сельскохозяйственных, дорожностроительных машин, и стационарных установок. Среди поршневых ДВС широкое распространение получили дизели, имеющие, как известно, специфические свойства в ряде случаев более приемлемые, чем у бензиновых двигателей. Для тяжелой техники специального назначения дизельные двигатели обладают неоспоримыми преимуществами перед двигателями других типов, и в обозримом будущем применение их будет продолжаться. Поэтому, как создание более совершенных двигателей, так и совершенствование существующих моделей в направлении повышения мощности и улучшения экономичности является актуальной задачей.
Среди дизелей свое место занимают дизели с объемным смесеобразованием, которые отличаются высокой экономичностью, хорошими пусковыми качествами и высоким допустимым уровнем форсирования наддувом вследствие более простой конструкции головки цилиндра и днища поршня. Эффективным способом воздействия на смесеобразование и сгорание в дизелях объемного смесеобразования является согласование параметров топливо подачи и формы камеры сгорания. Наиболее широкое распространение в дизелях этого тана получила открытая камера сгорания типа Гсссельман, форма которой позволяет решать эту задачу. Однако в ряде случаев при форсировании но мощности увеличение длины топливного факела приводит к переобогащению периферийных зон КС, т.е. к ухудшению качества смесеобразования. При этом весьма не эффективно используется воздух, расположенный в выточках под клапаны на периферии днища поршня. Выточки в двигателях с такими КС выполняются для предотвращения контакта клапанов газораспределительного механизмов с поршнем. Ко всему прочему выточки являются концентраторами тепловых напряжений, что наряду с ухудшением качества смесеобразования в периферийных зонах КС является препятствием к дальнейшему форсированию дизеля, и усложняет технологию производства. При ликвидации выточек под клапаны в значительной степени увеличивается величина надпопшевого зазора, что приводит к перераспределению воздуха в пространстве сжатия. Необходимость обеспечения заданной степени сжатия влечет за собой изменение формы камеры сгорания и, как следствие, изменение условий смесеобразования. Организация смесеобразования осуществляется путем взаимодействия топливного факела с днищем поршня (иначе - стенкой камеры сгорания), в результате которого происходит отражение факела и распределение топлива в пространстве сжатия. Форма камеры сгорания обеспечивает рациональное распределение воздушного заряда в соответствии с распределением отраженного топлива.
Вопросы выбора рациональной формы (профиля) открытой камеры сгорания с организованным взаимодействием топливного факела со стенкой КС недостаточно изучены. Основным методом выбора формы КС является проведение сравнительных испытаний различных вариантов, весьма трудоемких и дорогостоящих. Поэтому разработка теории и методики профилирования камеры сгорания, на основе которой могут быть получены приемлемые показатели рабочего процесса, является актуальной задачей.
В связи с этим целью работы являлась разработка расчетно-экспериментальной методики профилирования открытой камеры сгорания с рациональным отражением топливных факелов от днища поршня для улучшения экономичности четырехтактного быстроходного транспортного дизеля при его форсировании.
Достижение поставленной цели базировалось на гипотезе о том, что на основании представлений о структуре топливного факела и газодинамических законов формирования отраженной двухфазной топливной струи можно определить рациональные размеры и форму поверхностей, образующих камеру сгорания в условиях четырехтактного быстроходного транспортного дизеля.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1. Теоретически и экспериментально обоснованы положения методики профилирования открытой камеры сгорания при форсировании четырехтактного быстроходного транспортного дизеля, в которой процесс смесеобразования реализован путем рационального отражения топливных факелов от днища поршня. Методика базируется на принципе распределения воздушного заряда по зонам прямого и обратного тока в камере сгорания пропорционально отраженному в эти зоны количеству топлива и включает основные геометрические параметры камеры сгорания.
2. Разработаны физическая и математическая модели структуры топливного факела и процесса его взаимодействия со стенками КС, в которых свободный топливный факел рассматривается как осесимметричная двухфазная струя, а в двумерной области взаимодействия факела со стенкой - как совокупность капель топлива, отклоняющихся от первоначальной траектории под воздействием спутпого потока воздуха в направлении прямого и обратного тока.
3. Сформулированы и экспериментально подтверждены условия, которым в комплексе должна соответствовать форма открытой камеры сгорания с рациональным отражением топливного факела от днища поршня. Экспериментально установлены закономерности влияния параметров камеры сгорания на эффективные показатели быстроходного форсированного транспортного дизеля типа ЧН15/16, подтверждающие основные положения разработанной модели топливного факела и процесса его взаимодействия со стенками КС.
4. Экспериментально показана возможность форсирования быстроходного транспортного дизеля до уровня Ре = ],05МПа с ограниченным объемом камеры сгорания без организованного движения воздушного заряда только путем увеличения цикловой подачи топлива с одновременным улучшения экономичности на 5...5,5 г/кВт ч по сравнению с прототипом за счет выбора рациональной формы камеры сгорания.
Объектом исследования являлся процесс смесеобразования в камере сгорания быстроходного форсированного транспортного дизеля.
Предметом псе.чел она имя являлся процесс взаимодействия топливного факела с днищем поршня в условиях ограничения его свободной длины с отражением на периферийную и в углубленную части камеры сгорания.
Метод men исследования заключалась в следующем. На основании литературных источников и результатов экспериментов, проведенных в 1 СКБ «Трансдизель» ПО ЧТЗ, выполнен анализ факторов, определяющих процесс смесеобразования в открытой камере сгорания с увеличенным надпоршневым зазором. В качестве определяющего фактора выделен процесс развития топливного факела и его взаимодействия с днищем поршня (со стенкой камеры сгорания). Для уточнения характера этого процесса в условиях транспортных дизелей типа ЧН15/16 и 41115/18 проведен комплекс безмоторных исследований по регистрации развития топливного факела и его взаимодействия с плоской стенкой при впрыске в среду с противодавлением. Параллельно проведена регистрация процесса взаимодействия с преградой газовых стационарных струй и струи распыленной воды при атмосферных условиях. Выявлен общий характер развития отраженного дизельного факела и газовой струи.
На основе теоретического анализа и результатов безмоторных исследований сформулированы положения расчетпо-экспериментальной методики профилирования открытой камеры сгорания быстроходного форсированного транспортного дизеля, разработана модель топливного факела как двухфазной турбулентной струи и процесса его взаимодействия со стенкой камеры сгорания. Модель позволяет проводить сравнительный анализ распределения отраженного топлива по зонам КС при различных расстояниях от сопла форсунки до стенки и углах между осью факела и стенкой камеры сгорания. В качестве исходных данных для расчета по предложенной модели использованы характеристики топливоподачи, определенные экспериментально в ходе безмоторных испытаний.
Посредством разработанной модели определено рациональное сочетание конструктивных параметров камеры сгорания. По результатам этих расчетов спрофилированы опытные КС, экспериментальные исследования которых позволили проверить сформулированные положения методики профилирования. Для расчета размеров камеры сгорания использованы специально разработанные прикладные программы.
Экспериментальные исследования опытных камер сгорания производились па одноцилиндровом дизеле 141II5/16 II.7. В результате исследовании получены данные, подтверждающие положения разработанной методики профилирования открытой камеры сгорания. Достигнуто снижение удельного расхода топлива одноцилиндрового дизеля с камерами сгорания, спроектированными в соответствии с рекомендациями разработанного метода.
Практическая ценность работы. Разработанная методика определения рациональных параметров камеры сгорания при заданных конструктивных ограничениях и прикладные программы расчета профиля камеры сгорания с равномерным надпорпшевым зазором применяется при профилировании камер сгорания дизелей специального назначения типа ЧН15/16 и 41115/18. Сформулированные требования к камере сгорания открытого типа с отражением топливного факела от днища поршня и экспериментально установленные закономерности влияния основных конструктивных параметров камеры сгорания на эффективные показатели дизеля 1ЧН15/16 позволяют выбрать рациональную форму КС для конкретных условий эксплуатации дизелей.
Реализация работы. Результаты исследований использованы для разработки и обоснования конструкции камеры сгорания дизеля, защищенной авторским свидетельством па изобретение № 1576697 [6]. Камера сгорания по а.с. №1576697 внедрена в конструкцию серийных быстроходных транспортных дизелей типа 6ЧН15/16, 12415/18 и 12ЧН15/18 в ООО «ЧТЗ - Уралтрак», а также использована при создании опытного дизеля типа 12ЧН15/16. Разработанная методика применяется при профилировании камер сгорания для новых дизелей специального назначения.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях в ЧПИ, 41 ТУ, ЮУрГУ и ПО 4ТЗ, на региональных конференциях, на международной научно-технической конференции к 100-летию Духова II.Л. 2005 г., на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения», Челябинск 2006 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано работ и получено 3 авторских свидетельства на изобретение.
На защиту выносится следующие основные положения диссертации:
- результаты анализа опубликованных теоретических и экспериментальных работ, согласно которым существуют как общие закономерности в структуре дизельного топливного факела и в процессе его взаимодействия со стенкой камеры сгорания, так и различия в протекании этих процессов, а также различия подходов к вопросам профилирования открытых камер сгорания, обусловленные многообразием типов дизелей;
- разработанная расчетно-эксперпментальная методика профилирования открытой камеры сгорания, в которой процесс смесеобразования реализован путем рационального отражения топливных факелов от днища поршня, базирующаяся на принципе распределения воздушного заряда по зонам прямого и обратного тока в камере сгорания пропорционально отраженному в эти зоны количеству топлива;
- модель, описывающая структуру топливного факела и процесс его взаимодействия со стенкой, в которой свободный топливный факел рассматривается как осесимметричная двухфазная струя, а н двумерной области взаимодействия факела со стенкой - как совокупность капель топлива, отклоняющихся от первоначальной траектории под воздействием спутного потока воздуха в направлении прямого и обратного тока;
- экспериментально установленные закономерности влияния параметров камеры сгорания на эффективные показатели быстроходного форсированного транспортного дизеля типа 41-115/16, подтверждающие основные положения разработанной модели топливного факела и процесса его взаимодействия со стенками камеры сгорания;
- сформулированные условия, которым должна соответствовать форма открытой камеры сгорания с организованным отражением топливного факела от днища поршня, а именно: распределение воздуха по зонам камеры сгорания пропорционально поступившему в эти зоны количеству топлива, свободное развитие топливного факела до начала его организованного взаимодействия со стенкой камеры сгорания, максимально возможная длина свободного развития факела до стенки камеры сгорания, а также результаты экспериментальных исследовании, подтверждающих эффективность соблюдения этих условий;
- результаты экспериментальных исследований на одноцилиндровом дизеле 141115/16 его эффективных показателей в зависимости от конструктивных параметров камеры, которые подтверждают основные положения разработанной модели.
Материалы по указанным вопросам изложены в настоящей диссертационной работе, состоящей из пяти глав и приложения.
В первой главе проанализированы результаты исследовании, посвященных вопросам выбора формы камеры сгорания форсированных дизелей с объемным смесеобразованием. Представлен обзор существующих моделей топливного факела и процесса его взаимодействия со стенкой камеры сгорания, проанализированы результаты исследования этих процессов по доступным отечественным и зарубежным источникам. Сформулированы задачи исследования.
Во второй главе представлена предлагаемая модель топливного факела и процесса его взаимодействия со стенкой камеры сгорания.
В третьеіі главе изложена методика профилирования открытой камеры сгорания с рационально организованным взаимодействием факела с днищем поршня, представлены результаты расчетов и выбора сочетания конструктивных параметров камеры сгорания. Приведены конструкции опытных КС и мотивация их выбора.
В четвертой главе приведено описание экспериментальных установок, использованных при безмоторных и моторных исследованиях, методик проведения экспериментов, применявшейся измерительной техники.
В пятой главе представлены результаты безмоторных исследований топливной аппаратуры, развития и взаимодействия со стенкой топливного факела, струи распыленной воды и газовых струй. Представлены результаты сравнительных моторных испытаний опытных камер сгорания и их анализ.
Выводы и рекомендации по результатам исследований изложены в конце диссертации. В приложение 1 вынесены формулы, выведенные для определения геометрических размеров области взаимодействия струи распыленного то плива со стенкой. В приложении 2 представлены эскизы камер сгорания, спроектированные автором для опытных вариантов дизелей типа ЧІП5/16 и ЧН15/18.
Автор выражает благодарность коллегам по отраслевой научно-исследовательской лаборатории транспортных дизелей 41ІИ - ЮУрГУ и коллективу ГСКБ «Трансдизель» ПО ЧТЗ за содействие и помощь в проведении исследований.
Открытые камеры сгорания форсированных дизелей
Неразделенные камеры сгорания нашли широкое применение в дизельных двигателях различного назначения [30, 31, 34 и др.]. Среди всего многообразия форм исследователи выделяют две группы. К первой группе относят камеры сгорания мало согласованные с формой топливного факела. Качественное смесеобразование в этом случае обеспечивается путем организации движения воздушного заряда в процессе впуска либо на такте сжатия [3, 26, 61, 117]. Проблемы, возникающие при таком способе смесеобразования, хорошо известны [43 и др.]: повышенные аэродинамические потери, снижение интенсивности движения воздуха к началу топливоподачи, трудности обеспечения необходимой интенсивности вихревого движения на различных скоростных режимах, усложнение конструкции и др. Ко второй группе относятся КС, формы которых по общепринятому выражению являются «согласованные» с формой топливного факела. Смесеобразование в таких КС осуществляется преимущественно за счет энергии струи распыленного топлива, в связи с чем, к топливной аппаратуре таких дизелей предъявляются более жесткие требования.
В транспортных четырехтактных дизелях с 1)ц 140лш в основном применяются неразделенные камеры сгорания [2, 19, 35]. Среди этого типа КС широкое распространение получила камера сгорания типа Гессельман, рис. 1.1, согласованная с формой топливного факела, разработанная для центрального расположения форсунки. Подобное размещение форсунки зачастую является предпочтительным по конструктивным соображениям, а также обеспечивает возможность равномерного распределения топлива в пространстве сжатия при одинаковых отверстиях распылителя.
Многими исследованиями показано заметное улучшение показателей рабочего процесса дизелей различных типов при применении камер сгорания, форма которых согласована с формой факелов, взамен КС, в которых форма днища поршня не согласуется с формой топливных факелов, например, рис. 1.2. Улучшение формы КС Гессельман достигается путем увеличения расстояния от распылителя до днища поршня по оси топливного факела, либо углублением камеры в поршне, некоторые примеры на рис. 1.3. При условии сохранения степени сжатия резервы для углубления КС изыскиваются либо в уменьшении надпоршневого зазора либо в изменении формы центрального выступа днища поршня. Реализация соответствующих изменений конструкции в серийном производстве в первом случае влечет за собой ужесточение допусков на размеры при изготовлении деталей кривошиино-шатунного механизма. Изменение же формы центрального выступа днища поршня мало эффективно по ряду причин. Во-первых, изменения объема воздушного заряда на периферии КС и длины свободного полета топливных факелов, полученные за счет этого мероприятия, незначительны. Во-вторых, высока вероятность взаимодействия топливных факелов на начальном участке их развития с днищем поршня, если не в условиях конкретной экспериментальной сборки то, во всяком случае, в серийных изделиях, в которых имеются отклонения размеров при изготовлении деталей кривошипно-шатунного механизма и топливной аппаратуры. Подобная «стесненность» развития топливных факелов на начальном участке отрицательно влияет на экономичность дизеля, о чем свидетельствуют результаты экспериментов, проведенных в рамках настоящего исследования.
Теперь что касается «объемности» смесеобразования в КС Гессельман форсированного транспортного дизеля. В условности этого понятия в настоящее время мало кто сомневается. Многочисленные расчетные и экспериментальные исследования динамики «холодного» и «горячего» топливной) факела, приведенные в отечественной и иностранной литературе, указывают на то, что длина свободного факела в форсированных транспортных дизелях с 1),. 200мм превышает не только радиус камеры в поршне, но и цилиндра. Об этом также свидетельствует наличие отпечатков факелов на днище поршня, рис. 1.4.
Следует отметить также тот факт, что при согласовании формы днища поршня и топливного факела в КС Гсссельмап предполагается наличие малого надпорпшевого зазора. При этом для предотвращения контакта клапанов газораспределительного механизма с поршнем на нерифернином бурте последнего выполняются выточки под клапаны, рис. 1.5. Наличие выточек приводит, во-первых, к удорожанию изготовления поршня, а, во-вторых, к повышенной теп-лоиапряженностп из-за развитой поверхности днища и наличия концентраторов напряжений, что является препятствием к дальнейшему форсированию дизеля.
Выточки под клапаны образуют неравномерный иадпоршневой зазор, что может приводить к различным условиям смесеобразования для разных топливных факелов многодырчатой форсунки, т.к. некоторые факелы попадают па днище поршня в месте выточек под клапаны, а другае - в месте высокого периферийного бурта, рис. 1.6. Из рисунка понято, что для топливных факелов, попадающих на выточки под клапаны, характер смесеобразования получается несколько иным. Для дизелей с расположением форсунки но оси цилиндра и отсутствием фиксации распылителя маловероятно обеспечение идентичных условий смесеобразования по всем цилиндрам многоцилиндрового дизеля.
Уточненное моделирование структуры свободной струи распыленного топлива
Основным допущением в разрабатываемой модели является представление дизельной струи распыленного топлива в виде квазистационарной двухфазной турбулентной струи, истекающей из сопла распылителя иод действием среднего за цикл давления впрыска и состоящей из капель топлива усредненного по Заутеру диаметра d o, движущихся в спутном потоке воздуха. Спутный поток формируется в результате обмена количеством движения между топливом и воздушным зарядом. В камерах сгорания дизелей, в которых движение воздушного заряда для интенсификации процесса смесеобразования не применяется, скорость воздуха в камере сгорания перед началом впрыска можно считать равной нулю. Расчетные и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что максимальная длина факела на форсированных режимах в полтора-два раза превосходит расстояние от сопла до стенки КС, и более 80% топлива подается в цилиндр при взаимодействии факела со стенкой, глава 5. Поэтому, в моделировании топливной струи на участке от сопла до стенки используем допущение о се бесконечности. Таким образом, процессы формирования, продвижения в пространстве КС и взаимодействия со стенкой головної! части струи выводятся за рамки данного исследования.
По аналогии с осесимметричной свободной затопленной струей [99], дизельную струю условно разделяем по длине на два участка - начальный и основной, рис.2.1. На начальном участке происходят процессы формирования струи. Под воздействием возмущений, возникающих при истечении топлива через отверстия распылителя форсунки, происходит распад струи на отдельные капли. Известно, что амплитуда и частота возмущений в истекающей струе топлива увеличивается с ростом давления впрыска и уменьшением диаметра отверстий распылителя. Это влечет за собой улучшение мелкости и однородности распыливания топлива. Для дизелей с объемным смесеобразованием характерны высокие давления впрыска при малых диаметрах распыливающих отверстий, что по нашему мнению позволяет принять допущение о приближении структуры факела распыленного топлива к структуре двухфазной турбулентной струи.
Основной участок двухфазной турбулентной струи характеризуется автомодельными профилями скоростей фаз и концентрации примеси по радиусу нормального к оси струи сечения. Автомодельный профиль зачастую задается универсальным соотношением Шлихтинга [108]: где U - скорость в произвольной точке сечения, отстоящей от оси на расстоянии /, Um - скорость па оси струи, R - радиус заданного сечения струи. Подобное допущение для дизельной струи согласуется с известными экспериментальными данными, глава 1 рис. 1.28, 1.29, 1.31, 1.32(a), 1.34.
Условное сечение, по которому сопрягаются начальный и основной участки, как и в турбулентной струе, назовем переходным. Параметры течения в переходном сечении являются конечными для начального участка и начальными для основного. Сразу оговоримся, что здесь и далее под термином «сечение» понимается нормальное коси струи сечение.
Процессы распыливапия, т.е. распада струи, достаточно сложны и на современном уровне знании оцениваются при помощи полуэмпирических моделей. Для определения геометрических параметров топливного факела и характеристик распыливапия в настоящей работе применена методика А.С.Лышевского [67], адаптированная для топливной аппаратуры дизелей 41115/16, Ч и 41115/18 [94], глава 1. Для начального участка принимаем допущение, что распад струи происходит на всем его протяжении и к переходному сечению полностью завершается. Поэтому в переходном сечении, как и в любом произвольном сечении струи, располагаются капли диаметром /32, концентрация которых и профиль скоростей описываются соотношением 2.1.
Согласно [113] на протяжении начального участка затопленной турбулентной струи скорость, по крайней мере, на оси струи остается постоянной. Основываясь на анализе данных о структуре топливного факела, глава 1, следующее допущение, принимаемое для начального участка, является постоянство скорости топлива на оси струи от сопла до переходного сечения.
На протяжении начального участка образовавшиеся при распаде струи топлива капли тормозятся в плотном воздушном заряде камеры сгорания дизеля. Происходит обмен количеством движения между каплями топлива и воздухом, вовлечение последнего в движение факела, т.е. формирование двухфазной струи. Экспериментальные данные, глава 1, показывают, что на удалении от сопла в пределах как минимум половины L/ можно говорить о незначительном количестве полностью заторможенных, «зависших», капель. Па основании этих данных и результатов определения параметров камеры сгорания, глава 3, принимаем допущение о сохранении потока жидкой фазы (топлива) в диапазоне, по крайней мере, от сопла до стенки КС. Конечно же, это допущение применимо и для начального участка струи. Отметим, что условие сохранения потока жидкой фазы па начальном участке справедливо не только для струи рас пылснного топлива, т.е. «холодного» факела, ио и, согласно [99], для факела в условиях камеры сгорания дизеля.
В монографии С.Coy «Гидродинамика многофазных систем» [ПО] отмечается, что процесс передачи количества движения от частиц, движущихся в потоке, к газу и наоборот возможна в случае, когда дискретную фазу, т.е. частицы, можно считать сплошной средой. Это соблюдается при условии, когда концентрация частиц, а в нашем случае капель топлива, такова, что происходит хотя бы соприкосновение границы пограничного слоя на поверхности капли с границами пограничного слоя соседних капель. При меньшей концентрации капель газ просто образует свободный поток, причем кинетическая энергия капель полностью диссипирует в их следах. Это утверждение справедливо как для случая разгона частиц потоком газа, так и для случая разгона газовой среды потоком частиц.
Выбор формы опытных камер сгорания для экспериментальных исследований на одноцилиндровом дизеле
Для этой части топлива в условиях отсутствия вихря в камере сгорания ее форма должна обеспечить наличие определенной массы воздуха, что в допущении о равномерности плотности воздушного заряда равноценно наличию необходимого объема воздуха.
В данной работе принят принцип пропорционального распределения воздуха и топлива по зонам камеры сгорания. Условно выделим в объеме сжатия две области, представляющие собой тела вращения с поперечными сечениями по рис.3.6. Коническая поверхность, являющаяся границей между этими областями, проходит через линии раздела течения топливных факелов. Положение линии раздела течения определяется при расчете взаимодействия топливного факела с преградой при заданном угле столкновения. Принято допущение об идентичности параметров факелов, истекающих из каждого отверстия распылителя форсунки. Область № 1, которая расположена выше линии раздела течения, назовем зоной прямого тока. Область №2, расположенную ниже линии раздела течения, назовем зоной обратного тока.
Форма опытных камер сгорания выбиралась исходя из задач экспериментальных моторных исследований: - оценка возможностей организации процесса смесеобразования в открытой КС путем отражения топлива от стенки в отсутствии движения воздушного заряда; - определение влияния на показатели рабочего процесса распределения воздуха и топлива по зонам камеры сгорания; - определение влияния на показатели рабочего процесса длины полета факела до стенки камеры сгорания; - экспериментальное подтверждение предположения, вытекающего из принятой модели процесса взаимодействия струи с преградой, о значитель ном увеличении удельного расхода топлива при организации отражения факела на протяжении его начального участка; - экспериментальное подтверждение принципа обеспечения максимальной свободы развития топливного факела до его организованного взаимодействия с днищем поршня; - определение рациональной по экономичности формы камеры сгорания в условиях опытного дизеля ЧН15/16, что позволит сделать вывод о правомочности предложенной методики и расчетной модели.
В данном исследовании конструкция головки цилиндра не изменялась, изменение формы КС производилось за счет применения поршней с различной конфигурацией днища.
Для определения в сравнимых условиях показателей дизеля с камерой сгорания, спрофилированной по методике, разработанной для КС типа Гес-сельман, но примененной при профилировании камер сгорания с увеличенным падпоршневым зазором, принята к испытаниям КС Л! 1, рис.3.7. Данная камера сгорания спроектирована инженером В.М. Сергеевым под руководством автора одной из таких методик [94].
В КС №1 обеспечены максимально возможное расстояние вдоль оси топливного факела от распылителя до стенки камеры сгорания, т.е. до днища поршня, максимально возможный обі.ем воздушного заряда на периферии в камере поршня. Периферийная образующая днища поршня практически параллельна оси цилиндра по аналогии с КС Гессельмап, что затрудняет использование в процессе смесеобразования части воздушного заряда в увеличенном над-иоршневом зазоре.
Для выполнения задач моторных испытаний потребовался значительный объем экспериментов, которые невозможно провести в короткие сроки. Поэтому, чтобы обеспечить достоверность сравнения показателей дизеля, полученных в разных сериях опытов, необходимо иметь базу сравнения - т.е. одинаковый для всех серий базовый вариант камеры сгорания. Первоначально намечалось в качестве базовой использовать КС «В», рис. 1.12 глава 1. Эта камера сгорания, спроектированная и испілтанная в ГСКБД «Трансдизель», обеспечила удельный индикаторный расход топлива дизеля 1ЧН15/18 такой же, как серийная КС типа Гессельмап с выточками под клапаны на кроне поршня. Анализ конструкции показал, что в экспериментальном дизеле НІН 15/16 с вариантом «В» возможно взаимодействие топливного факела с центральной частью днища поршня, см. подробнее раздел 5.2. Это связано с тем, что КС «В» спроектирована для хода поршня 180 мм и минимально допустимого надпоршневого зазора 9,5 мм.
Чтобы обеспечить свободное развитие топливного факела до организованного взаимодействия со стенкой в условиях пространства сжатия дизеля ПІН 15/16, форма КС «В» была несколько изменена. В частности, уменьшена высота центрального выступа днища поршня и уменьшен до 30 угол наклона периферийной образующей, см. рис. 3.8. Этот вариант, КС № 2, выбран в качестве базового для сравнительных экспериментальных исследований опытных камер сгорания. На рис.3.9 показано сечение пространства сжатия дизеля с КС № 2 при положении поршня в ВМТ с наложением контуров развитого свободного факела. Для этого варианта L г = 51лм/.
Экспериментальные установки, методика безмоторных исследований процессов топлшюподачи и взаимодействия струй с преградами
Для формулирования и обоснования допущеннії, принимаемых при моделировании процесса взаимодействия струи распыленного топлива со стенкой КС, необходимо проведение ряда экспериментов по определению характера взаимодействия с преградой дизельной топливной струи и газовой затопленной струи. Последнее связано с тем, что согласно принятой физической модели процесса отражения топливного факела газовая струя является несущей средой, отклонение которой вызывает изменение траекторий движения капель распыленного топлива. Эксперименты с газовыми струями также необходимы для определения размеров области взаимодействие, задание которых предусмотрено в математической модели. Эти эксперименты проводились па стационарных дымовых струях, образованных при истечении в атмосферу из насадок диаметром 12, 16, 19 и 40 мм отработавших газов многоцилиндрового дизеля рабочим объемом 4,2л. Дизель работал без нагрузки на частотах вращения коленчатого вала п()6 =\500мин и 2500л»///- . Преграда располагалась от насадки на расстояниях L = 0,4...0,8.1/ при различных углах ср между поверхностью преграды и осью струи. За процессом взаимодействия газовой струи с преградой производилось визуальное наблюдение и видео съемка.
Проведенными оценочными расчетами скорости газа UQ на выходе из насадки определено, что при условиях настоящего эксперимента диапазон изменения UQ достаточно широк и составляет от 40м/с до 200м/с. Величина скорости газа на оси струи Uті на расстоянии L от насадки оценивалась по формуле [113]: Диапазон изменения Umi составил 20...45м/с, что соответствует скоростям газовой фазы топливной струи, определенным расчетом по модели, глава 2.
Экспериментальные безмоторные исследования параметров топливопо-дачи необходимы с целью: - определения динамики развития свободной топливной струи, ее геомет рических параметров, сравнения этих результатов с расчетами по выбранной методике [67]; - определения формы топливной струи, взаимодействующей с плоской преградой; - определения параметров топливоподачи, необходимых в качестве ис ходных данных для расчета струи распыленного топлива.
Для исследования была оборудована экспериментальная установка на базе безмоторного стенда для испытания и регулировки топливной аппаратуры КИ-921М, схема которой представлена на рис.4.1.
Измерительная аппаратура экспериментальной установки позволяет регистрировать следующие параметры: давление в трубопроводе у штуцера насоса высокого давления; давление под конусом иглы распылителя; перемещение иглы распылителя форсунки; момент геометрического начала подачи топлива; угловые отметки поворота вала топливного насоса.
Измерения давлений в нагнетательном трубопроводе и под иглой форсунки производились ньезокварцевыми датчиками ПД-1500, изготовленными в СКБ "Турбина". Сигналы пьсзокварцевых датчиков усиливались разработанным и изготовленным ГСКБ "Трансдизель" ПО ЧТЗ электрометрическим усилителем, имеющим также универсальный вход. Перемещение иглы форсунки определялось индуктивным датчиком, установленным на форсунке, рис.4.2. Сигнал от датчика перемещения иглы усиливался универсальной тензометри-ческой станцией УТС-1-ВТ-12. Измерение угловых отметок производилось фотоэлектрическим методом. В качестве чувствительного элемента использовался фотодиод ФД-2. На кулачковом валу топливного насоса высокого давления ус танавливался диск с пазами угловых отметок с тагом 2 градуса. Ось первого паза диска выставлялась относительно оси окна корпуса фотодиода в момент геометрического начала подачи топлива. Регистрация и визуальное наблюдение исследуемых процессов производилась на электронно-лучевом осциллографе CI-33 со штатної } фотокамерой РФК-5.
