Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования 11
1.1 Анализ взаимосвязи процесса впрыска топлива, рабочего процесса и эффективности использования теплоты в цикле 11
1.2 Особенности струйного смесеобразования в дизелях 26
1.3 Способы повышения интенсивности впрыска в современных топливных системах 32
1.4 Анализ влияния характера тепловыделения на параметры цикла и индикаторный КПД дизеля 41
1.5 Анализ исследований согласования параметров топливной струи с формой камеры сгорания дизеля 48
1.6 Выводы по главе. Задачи исследования 53
Глава 2. Математическое моделирование рабочего процесса, индикаторного КПД, вредных выбросов при повышении интенсивности впрыска топлива ... 56
2.1 Гидродинамический расчет топливной аппаратуры 56
2.2 Методика расчета характеристик факела 60
2.3 Описание математической модели рабочего процесса с блоком анализа индикаторного КПД, учитывающей динамику впрыска 62
2.4 Программный комплекс анализа экономических и экологических характеристик рабочего процесса дизеля с учетом динамики впрыска топлива 70
2.5 Выводы по главе 73
Глава 3. Результаты расчетных исследований на математических моделях 74
3.1 Результаты гидродинамического расчета топливной аппаратуры дизелей семейства ЧН 15/18 75
3.1.1 Влияние диаметра топливопровода высокого давления на давление впрыскиваемого топлива 76
3.1.2 Влияние эффективного проходного сечения распылителя форсунки и усилия затяжки пружины на давление впрыскиваемого топлива 77
3.1.3 Влияние размерности ТНВД на давление впрыскиваемого топлива 79
3.2 Численное исследование влияния характеристик ТА на рабочий процесс и вредные выбросы дизеля 82
3.2.1 Влияние конструктивных параметров топливной аппаратуры на скорость тепловыделения 84
3.2.2 Влияние угла опережения впрыска и продолжительности впрыска топлива на некоторые экономические и экологические показатели цикла дизеля 84
3.2.3 Влияние диаметра и количества сопловых отверстий распылителя форсунки на экономические и экологические показатели цикла при форсировании дизеля 95
3.3 Выводы по главе 101
Глава 4. Экспериментальное исследование влияния на параметры топливного факела, рабочий процесс, индикаторный КПД и вредные выбросы повышения интенсивности впрыска 104
4.1 Экспериментальное исследование влияния давления впрыска на динамику развития топливного факела 105
4.1.1 Методы экспериментального исследования влияния давления впрыска на параметры топливной струи 105
4.1.2 Экспериментальная установка и методика исследования топливного факела на безмоторной установке 108
4.1.3 Методика обработки опытных данных, полученных методом оптической диагностики интегральных характеристик нестационарных турбулентных струй в процессе распыливания топлива 111
4.1.4 Анализ экспериментальных данных 118
4.1.5 Сравнение теоретических данных расчета характеристик факела с экспериментальными, полученными в ходе исследования параметров топливной струи 124
4.2 Экспериментальная моторная установка, методика исследования и расчет погрешностей 127
4.2.1 Экспериментальная моторная установка 127
4.2.2 Методика эксперимента, измерение и обработка опытных данных 129
4.2.3 Анализ погрешностей измерения и обработки опытных данных 130
4.3 Результаты исследования влияния параметров топливной аппаратуры на мощностные и экономические параметры цикла дизеля 132
4.3.1 Влияние угла опережения впрыска на эффективные показатели цикла дизеля БМД - 3 132
4.3.2 Результаты анализа характеристик выделения и отвода теплоты и составляющих неиспользования теплоты в цикле дизеля ЧН 15/18 при варьировании углом опережения впрыска топлива 135
4.3.3 Влияние диаметра отверстий, угла истечения топлива из распылителя и выступания распылителя форсунки в камеру сгорания на мощностные, экономические и экологические параметры цикла семейства дизелей ЧН 15/15 139
4.3.4 Влияние продолжительности впрыска на мощностные, экономические и экологические параметры цикла при форсировании семейства дизелей ЧН15/15 149
4.4 Выводы по главе 154
Заключение по работе.
Общие выводы и рекомендации 156
Литература 161
Приложения... 162
- Анализ влияния характера тепловыделения на параметры цикла и индикаторный КПД дизеля
- Описание математической модели рабочего процесса с блоком анализа индикаторного КПД, учитывающей динамику впрыска
- Влияние угла опережения впрыска и продолжительности впрыска топлива на некоторые экономические и экологические показатели цикла дизеля
- Экспериментальная установка и методика исследования топливного факела на безмоторной установке
Введение к работе
Дизельный двигатель внутреннего сгорания благодаря возможности его форсирования будет занимать в ближайшие годы ведущее место в качестве энергосиловой установки в различных секторах экономики.
Одним из направлений совершенствования дизельных ДВС стало их форсирование по мощности и улучшение экономических и экологических показателей. При этом негативным фактором является увеличение продолжительности сгорания, что вызывает рост непроизводительных потерь теплоты, снижение индикаторного КПД, ухудшение экологических показателей и топливной экономичности.
Эффективным методом улучшения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов дизелей является совершенствование процесса топливоподачи, определяющего характер дальнейшего протекания смесеобразования и сгорания и, следовательно, показатели рабочего процесса дизеля. В настоящее время целый ряд ведущих мировых производителей дизелей ведет работы по совершенствованию рабочего гроцесса дизеля за счет увеличения давления впрыскиваемого топлива до 50-150 МПа (иногда и выше), то есть интенсификацией впрыска топлива. Отсюда, задача по интенсификации впрыска топлива в дизеле является актуальной.
В литературе указано, что с увеличением давления впрыска возрастает скорость истечения топлива из отверстий распылителя, и улучшаются дисперсность и однородность распыливания. При этом происходит увеличение длины и угла конуса топливной струи. Все это приводит к уменьшению вероятности переобогащения топливом сердцевины струи и улучшению показателей рабочего процесса дизеля (при условии согласования параметров топливной струи с формой камеры сгорания).
* 7
В отечественных транспортных дизелях наиболее распространена
топливная аппаратура разделенного типа с многоплунжерными ТНВД,
поэтому в настоящей работе рассматриваются именно эти системы.
В указанных системах для увеличения давления впрыска топлива повышают объемную скорость вытеснения топлива плунжером (за счет увеличения диаметра или скорости плунжера), уменьшают объем линии высокого давления топливной системы, повышают давление начала впрыскивания, увеличивают жесткость системы насос - топливопровод -форсунка.
Исследования выполнялись в рамках Hill «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки техники» 2000 - 2002 гг., «Студенты и аспиранты - малому наукоемкому бизнесу (Ползуновские гранты)» 2001 и 2002 гг.
Цель работы. Анализ возможности улучшения экономических и
экологических характеристик рабочего процесса дизеля за счет т
интенсификации процесса впрыска топлива.
Научная новизна. Предложен программный комплекс анализа экономических и экологических характеристик рабочего процесса дизеля, объединяющий в единое целое отдельные расчетные блоки: гидродинамический расчет линии высокого давления (ЛВД); расчет параметров движения струи; расчет характеристики тепловыделения; анализ КПД и эффективности использования теплоты в цикле, расчет содержания ВВ в ОГ дизеля. Комплекс позволяет на стадии проектирования в первом приближении решать задачи оптимизации некоторых характерных параметров ТА (диаметра соплового отверстия, давления впрыска и др.).
На основе использования метода оптической диагностики интегральных характеристик нестационарных турбулентных струй в процессе распыливания топ л ив уточнены расчетная методика скорости истечения топлива из соплового отверстия, зависимости, описывающие развитие струи
8 топлива, которые использованы при математическом моделировании
рабочего процесса дизеля; разработана экспресс - методика определения
давления впрыска топлива перед сопловыми отверстиями распылителя.
Экспериментально получена зависимость распределения массы частиц топлива по скорости движения и скорости фронта топливного факела от давления впрыска топлива.
Методы исследования. Достоверность результатов достигнута выбором современных методов и средств измерений, соблюдением требований стандартов, периодической проверкой и тарировкой приборов, анализом и контролем погрешностей, а для теоретических исследований -принятием обоснованных исходных данных и закономерностей и сопоставлением результатов расчета и эксперимента.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработаны расчетные методики, доведенные до инженерного использования включающие: гидродинамический расчет ЛВД, расчет рабочего процесса, методику расчета скорости струи топлива. Показана возможность повышения индикаторного КПД и снижения вредных выбросов с ОГ для конкретных режимов работы. Рекомендованы мероприятия по оптимизации конструктивных и регулировочных параметров ТА.
Практические результаты по влиянию повышения давления впрыска на параметры рабочего процесса дизеля приняты к использованию при доводке дизелей на АО ХК «Барнаултрансмаш». Предложен экспресс - метод исследования параметров топливной струи и контроля качества распылителей форсунок на АО «Алтайский завод прецизионных изделий». Методические разработки и программные средства используются в учебном процессе АлтГТУ им. И. И. Ползунова.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 4-й и 5-й всероссийских конференциях по НТП «Студенты и аспиранты -малому наукоемкому бизнесу (Ползуновские гранты)» (Казань, 2001 г. и
Барнаул, 2002 г.), на конференциях «Молодежь - Барнаулу» в 2001 - 2003 гг.,
на международной конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2002); на межрегиональном научном фестивале «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Красноярск, 2002), на конференции «Наука, Техника. Инновации» (Новосибирск, 2002), на международной конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения» (Челябинск, 2003), на IX международной конференции (Владимир, 2003), на Ш-м семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике в (Барнаул, 2003 г.), на 58, 59, 60, 61 ежегодных внутривузовских конференциях АлтГТУ в 2000 - 2003 гг. и на научных семинарах кафедры «Двигатели внутреннего сгорания».
Публикации. По теме диссертации опубликовано шестнадцать печатных работ, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка использованной литературы, приложения, содержит 120 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 185 наименований.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
- результаты анализа ранее выполненных работ по влиянию
интенсификации тепловыделения, процессов смесеобразования и подачи
топлива на показатели экономичности цикла и вредные выбросы;
модернизированная математическая модель рабочего процесса дизеля с блоком анализа индикаторного КПД, реализованная по методике расчета Н.Ф. Разлейцева, в которой уточнены зависимости описывающие развитие струи топлива;
результаты гидродинамического расчета топливной системы дизеля ЧН 15/18;
- результаты исследования влияния давления впрыска топлива на
динамику развития топливного факела;
- экспериментальная методика определения давления впрыска топлива
перед сопловыми отверстиями распылителя, а также методика определения
уточняющего коэффициента к на основе использования экспериментально
полученных значений скорости движения фронта факела;
- программный комплекс анализа экономических и экологических
характеристик рабочего процесса дизеля с учетом динамики впрыска
топлива.
результаты экспериментальных исследований согласования параметров топливной струи с формой камеры сгорания дизеля ЧН15/15;
- результаты анализа влияния сокращения продолжительности впрыска
за счет увеличения давления впрыска топлива дизеля ЧН15/15 на показатели
рабочего процесса.
Анализ влияния характера тепловыделения на параметры цикла и индикаторный КПД дизеля
Существует ряд мероприятий, направленных на достижение интенсификации впрыска топлива: применение насос - форсунок, аккумуляторных топливных систем, совершенствование традиционных топливных систем с ТНВД, создание электронных устройств и систем топливоподачи.
Применение насос - форсунок позволяет уменьшить объем топлива между рабочей полостью плунжера и сопловыми отверстиями распылителя [38, 59, 170]. При этом отсутствует трубопровод высокого давления, соединяющий эти полости, что благоприятно сказывается на характеристике подачи, которая формируется, следуя закону изменения скорости плунжера во время подачи топлива без искажений, которые связаны со сжимаемостью топлива и возникновением волновых явлений в трубопроводе.
Использование насос - форсунок позволяет получить значительное давление впрыска (создаваемое давление 100-200 МПа), быстро возрастающее при увеличении частоты вращения и нагрузки, что может положительно влиять на работу быстроходных дизелей с открытой камерой сгорания (применяются на шестицилиндровых дизелях 3176 Caterpillar, дизелях Volkswagen, MAN и др. [72]).
Применение насос - форсунок затруднено из-за некоторых недостатков [38, 72, 170]: сложный привод, трудность регулирования угла опережения впрыска и равномерности подачи по цилиндрам, большая стоимость обслуживания, повышенный тепловой режим насос - форсунки и т. д. Применение топливной аппаратуры аккумуляторного типа дает возможность существенно уменьшить зависимость параметров впрыскивания от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Зависимость параметров от режима работы тем меньше, чем ближе аккумулятор и дозатор расположены к форсунке. [79]. Аккумуляторная топливная аппаратура обеспечивает практически неизменный часовой расход топлива и почти гиперболическое возрастание цикловой подачи топлива qu при уменьшении частоты вращения вала распределителя или коленчатого вала. Такое протекание скоростной характеристики qu = f(n) повышает устойчивость работы двигателя без регулятора. Серьезным препятствием к применению топливной аппаратуры аккумуляторного типа на транспортных двигателях является необходимость наличия управляющего золотника для каждой форсунки, что требует применения дополнительной кулачковой или кулачково-рычажной системы привода, существенно усложняющей двигатель. В такой аппаратуре очень разветвленная и большая по объему линия высокого давления, в которой сложно обеспечить идеальную герметичность. Параллельно с увеличением давления впрыска топлива для более качественной организации процесса смесеобразования используют обработку топлива перед или во время впрыскивания [184]. Методы обработки топлива перед или во время впрыскивания с целью улучшения смесеобразования сводятся в основном к следующему: высокотемпературный подогрев топлива; предварительное насыщение топлива воздухом или другим газом; обработка топлива, топливной струи магнитным или электрическим полем; использование водо-топливных эмульсий (ВТЭ). Рассмотрим эти методы. Высокотемпературный нагрев топлива существенно снижает вязкость и сокращает время прогрева капель до равновесной температуры испарения и в целом оказывает положительное влияние на качество струйного смесеобразования. Однако для практической реализации требуется наличие высокоэффективных пожаробезопасных и экономичных подогревателей топлива, которые бы не увеличивали объем магистрали высокого давления. До настоящего времени эта задача не решена и требует серьезных дополнительных исследований. К преимуществам впрыскивания топлива в цилиндр [150] в смеси с воздухом или газами относятся дополнительное диспергирование топлива и более качественное распределение его по окислителю за счет расширения пузырьков воздуха и газов на выходе из сопловых отверстий распылителя, и улучшение условий его воспламенения, тем самым уменьшается вероятность образования зон, переобогащенных топливом. Присутствие газа в топливе оказывает также влияние на характер процесса топливоподачи в цилиндр дизеля. По месту ввода воздуха или газов в топливо известные конструкции можно разделить на следующие группы [150]: 1. Растворение воздуха в дизельном топливе на линии низкого давления. 2. Смешивание дизельного топлива с воздухом в линии высокого давления на участке от топливного насоса до форсунки. 3. Смешивание дизельного топлива с воздухом или с внутрицилиндровыми газами непосредственно в форсунке. Предварительное насыщение топлива воздухом довольно эффективно, т.к. способствует уменьшению концентрации горючего в центральной части струи и увеличению поперечного переноса капельной взвеси. Но для этого требуется основательная модернизация топливной аппаратуры дизеля и комплексные исследования влияния данного способа на характеристики топливоподачи и эксплуатационные показатели всей топливоподающей аппаратуры и дизеля в целом. Полученные результаты исследований (для опытной системы питания) свидетельствуют об увеличении ширины факела и его объёма, уменьшении дальнобойности, исчезновении переобогащенной сердцевины. Так при концентрации воздуха в топливе є = 2,6 % ширина факела увеличилась на 55,8 %, объём возрос в 3,5 раза, дальнобойность уменьшилась на 8,8 %, концентрация топлива в сердцевине упала на 5,7 %. Это можно объяснить большим значением поперечного переноса в струе из-за «взрывного» расширения воздуха на срезе соплового отверстия и более мелкого дробления капель [121]. Обработка топливной струи электрическим или магнитным полем также улучшает процессы смесеобразования и, как следствие, повышает топливную экономичность дизеля, но осуществить это в условиях реального дизеля очень сложно ввиду ограниченного объема камеры сгорания [184]. Большой практический интерес представляет использование водо-топливных эмульсий, которые благоприятно влияют на рабочий процесс дизеля [71,.86].
В работе [71] показано, что «микровзрывы», возникающие при горении топливо-водяных эмульсий, обуславливают интенсивное распыливание капель топлива и хорошее перемешивание их с зарядом воздуха в цилиндре. В результате повышается однородность смеси, уменьшается количество переобогащенных зон, участвующих в крекинг-процессах при диффузионном сгорании, т.е. подавляется необходимое условие для образования сажи в условиях дизеля. Кроме того, при горении ВТЭ имеет место значительное сокращение фазы догорания, повышается топливная экономичность.
Описание математической модели рабочего процесса с блоком анализа индикаторного КПД, учитывающей динамику впрыска
Указанное исследование позволяет вскрыть механизм влияния срг и m (или фь Рг) на экономичность цикла дизеля, но не позволяет определить какие параметры (конструктивные, регулировочные) оказывают влияние непосредственно на сами (рг и m (или рь ф2)- Так, например, большой практический интерес представляет моделирование влияния конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратуры на процесс сгорания и, в конечном итоге, на экономические и экологические показатели рабочего процесса в целом. Поэтому в ходе дальнейших теоретических исследований математическое моделирование рабочего процесса проводилось на базе модели «PROCESS», на которую получено свидетельство №2003610996 [145]. Модель «PROCESS» с блоком анализа индикаторного КПД позволяет моделировать рабочий процесс дизеля с учетом конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратуры.
В ходе моделирования рабочего процесса дизеля при помощи ЭВМ необходимо оценить экономические параметры дизеля, а также оценить влияние параметров топливоподающей аппаратуры на экологическую безопасность дизеля. Для решения этой задачи модернизирована математическая модель рабочего процесса двигателя, рассмотренная в работе [142], реализованная на основе методики Н.Ф. Разлейцева [138], и позволяющая моделировать рабочий процесс дизеля с учетом содержания вредных веществ в отработавших газах,
Математическая модель Н.Ф. Разлейцева не позволяет проводить анализ индикаторного КПД, поэтому к модели, рассмотренной в работе [142], с целью проведения численного анализа индикаторного КПД и статей неиспользования теплоты автором добавлен блок расчета формирования индикаторного КПД дизеля на основе теории Д.Д. Матиевского [100].
Структурная схема модернизированной математической модели «PROCESS» представлена на рисунке 2.3. Модель «PROCESS» содержит следующие блоки или подпрограммы: расчета характеристик впрыска и испарения; расчета тепловыделения; расчета температуры пламени; расчета образования термических окислов азота; расчета выбросов углеводородов и окиси углерода; выражения для учета влияния турбулентности воздушного заряда на рабочий процесс дизеля; расчета индикаторных показателей и показателей эффективности использования теплоты. В блок расчета характеристик впрыска и испарения топлива с учетом динамики развития факела автором были внесены изменения в соответствии с проведенными экспериментально-расчетными исследованиями топливной струи (Глава 4). Константы и коэффициенты в расчетных зависимостях приняты с учетом рекомендаций Н.Ф. Разлейцева [138], А.С. Хачияна [179], В.А. Звонова [68], С.А. Батурина [42]. Характеристики процесса сгорания в дизелях с объемным и объемно-пленочным смесеобразованием зависят от динамики и структуры факелов распыленного топлива, их числа и ориентации в пространстве, взаимодействия факелов с воздушным зарядом цилиндра и стенками камеры сгорания. Динамика развития факела распыленного топлива влияет на показатели рабочего процесса и определяется скоростью истечения топлива из сопловых отверстий распылителя форсунки, скоростью продвижения переднего фронта факела и глубиной его проникновения в камеру сгорания (дальнобойностью), углом конуса факела [138]. На указанные характеристики развития факела оказывают влияние такие параметры топливной аппаратуры как диаметр соплового отверстия, давление топлива перед сопловыми отверстиями и др. [13 8] Как отмечалось ранее, для улучшения экономических и экологических показателей рабочего процесса динамика развития факела должна согласовываться с геометрией КС. При математическом моделировании важно исследовать оптимальные условия развития факелов топлива в условиях конкретной камеры сгорания при комплектации различными вариантами топливной аппаратуры. Улучшение показателей рабочего процесса при изменении конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратуры будет свидетельствовать о соответствии параметров топливного факела геометрии КС. Преимуществом модели «PROCESS» является то, что она позволяет не только учесть динамику впрыска, испарения и сгорания топлива, развития топливного факела, но и оценить влияние некоторых параметров топливной аппаратуры на динамику изменения индикаторного КПД и статей неиспользования теплоты. На начальном этапе рассчитываются параметры заряда (количество в свежего заряда, отработавших газов, цикловая подача топлива и др.), затем рассчитываются константы испарения топлива [138]. Расчет временных и угловых параметров диаграммы включает в себя расчет температуры и давления газов, периода задержки воспламенения, моментов воспламенения, окончания впрыска, окончания горения и достижения факелом стенки камеры сгорания, продолжительности испарения и сгорания. Далее ведется расчет характеристик впрыска и испарения топлива с учетом динамики развития факела. Теоретические зависимости на данном этапе развития науки не позволяют с достаточной достоверностью рассчитать параметры факела распыленного топлива, поэтому количественные характеристики динамики развития факела чаще всего определяют по экспериментальным данным. Для их обобщения используются критериальные зависимости: критерий Вебера (We), нестационарности процесса (Э), критерий М.
Влияние угла опережения впрыска и продолжительности впрыска топлива на некоторые экономические и экологические показатели цикла дизеля
Для подтверждения соответствия теоретических исследований, проведенных ранее, экспериментальным данным в настоящем разделе представлены результаты экспериментальных исследований на испытательном безмоторном стенде и моторной установке.
Для определения влияния давления впрыска топлива на параметры топливной струи в настоящей Главе проведено экспериментальное исследование топливо - воздушного потока. Полученные данные были подвергнуты обработке на ЭВМ по разработанной методике анализа характеристик топливо - воздушного потока (распределения частиц потока по массам и скоростям, а также осевой скорости фронта).
На моторной установке определялись оптимальные регулировки ТА различной комплектации и конструктивного исполнения. В ходе исследований был проведен анализ влияния угла опережения впрыска топлива на показатели цикла дизеля, так как этот параметр оказывает значительное влияние на характеристику подачи топлива, а значит и на протекание рабочего процесса. Для этого в ходе испытаний были сняты индикаторные диаграммы цикла, на основании которых были определены основные показатели рабочего процесса (давление, температура, «жесткость» и т. д.).
На втором этапе проведены экспериментальные исследования оптимальных условий развития факелов топлива в условиях конкретной камеры сгорания при комплектации различными вариантами топливной аппаратуры. Как показывают теоретические исследования на математических моделях рабочего процесса (Глава 3), повышение давления впрыска положительно отражается на протекании рабочего процесса (улучшаются экономические и экологические показатели). Для подтверждения положительного влияния повышения давления впрыска топлива на показатели рабочего процесса на заключительном этапе экспериментальных исследований был проведен эксперимент на моторной установке. В ходе проведенных экспериментальных исследований сокращалась продолжительность впрыска при возрастающем давлении впрыска за счет увеличения объемной скорости вытеснения топлива плунжером (за счет изменения размерности ТНВД и оптимизации профиля кулачка вала ТНВД). Исследования влияния регулировочных и конструктивных параметров ТА на показатели рабочего процесса и индикаторный КПД проводились в экспериментальном цехе завода ОАО ХК «Барнаултрансмаш». При проведении исследований, монтаже оборудования, приборов, отборе проб отработавших газов и их анализе учитывались требования ГОСТ 10150-88 , ГОСТ 10448-80 , Р 51250-99 и Р 51249-99. Исследования топливо - воздушного потока проводились с целью уточнения зависимостей, описывающих развитие топливного факела для топливной аппаратуры, установленной на дизелях семейства ЧН 15/18, а также для оценки влияния давления впрыска на параметры топливной струи. Уточненные зависимости использовались при математическом моделировании рабочего процесса дизеля на модели «PROCESS». На характеристики процессов смесеобразования и сгорания топлива в дизелях (особенно при объемном и объемно - пленочном способе смесеобразования) большое влияние оказывает динамика развития и структура факелов распыленного топлива, их число и ориентация в пространстве, взаимодействие факелов с воздушным зарядом в цилиндре ДВС и стенками камеры сгорания. Существует целый ряд методов экспериментального исследования характеристик распыливания топлива дизельными форсунками, но ни один из них не дает полной информации о динамике и структуре нестационарной импульсной струи топлива, впрыскиваемого в высокотемпературную среду с переменной плотностью, особенно в условиях начавшегося горения. Отсюда, становится понятно, что для получения полной картины о динамике и структуре топливной струи необходимо вести исследования по целому ряду направлений различными способами. Исследования топливного факела проводятся, как правило, на безмоторных установках и макетах, поскольку измерить параметры топливного факела непосредственно в цилиндре работающего двигателя технически трудно из — за высоких давлений и температур цикла, излучения пламени, нестабильности впрыска топлива от цикла к циклу и др. Известны лишь отдельные попытки изучения динамики и структуры топливных факелов непосредственно на работающем дизеле или его модели путем киносъемки факела и стробоскопического отбора топливо - газовых проб в различных точках поперечного сечения факела [13S]. Для исследования процессов распыливания топлива в дизельных бомбах применяют фотографирование и киносъемку топливного факела, отбор топлива из различных его зон с помощью сотовых уловителей или трубчатых зондов, улавливание капель распыленного топлива на закопченную пластинку и др. Фото- и кинорегистрация дает представление о геометрии топливного факела и динамике ее изменения, но почти не раскрывает внутреннюю структуру в связи с его высокой оптической плотностью. По этой причине практически не дают дополнительной информации о структуре и распределении плотности топливного факела и более сложные методы: шлирен-метод и голография. Отбор топлива зондами, впрыск на пластинки позволяют определить величину потоков жидкого топлива на различных расстояниях от оси факела или сопла и дисперсность распиливания (суммарную) за период впрыска. Эти измерения также не дают представления о динамике изменения внутренней структуры факела в различных его сечениях. На современном этапе исследования топливного факела все большее распространение получают оптические методы исследования, основанные на улавливании светового излучения, прошедшего сквозь струю топлива. Оптические методы исследования обладают следующими достоинствами: являются бесконтактными, так как в качестве инструмента исследования используется световое излучение, поэтому структура изучаемого процесса при исследовании не меняется, что немаловажно; дают возможность осуществления весьма коротких экспозиций - до 10 с (при использовании импульсных лазеров); имеют большую наглядность, так как в большинстве случаев они позволяют получить визуальную картину (фиксированное изображение) исследуемого объекта или процесса.
Экспериментальная установка и методика исследования топливного факела на безмоторной установке
Оптические методы исследования не разрушают структуру топливного факела и позволяют получить информацию о структуре и динамике развития факела. Подобные исследования являются важным и перспективным этапом изучения процессов смесеобразования и сгорания. Экспериментальные исследования влияния давления топлива на характеристики топливовоздушного потока выявили: при увеличении частоты вращения вследствие роста давления топлива перед форсункой наблюдается перераспределение скоростей частиц топливного потока в зависимости от массы. С возрастанием давления топлива перед форсункой происходит увеличение количества массы топлива, движущейся с большими скоростями (например, при ПкуЛ = 500 мин"1 около 26 % массы топлива движется со скоростью больше 50 м/с, а при Пкул = 850 мин 1 уже 52 %). при возрастании давления топлива перед форсункой увеличивается значение средней скорости фронта струи (при увеличении среднего давления перед форсункой на 38 % скорость фронта возрастает в 1,18 раза). 3 Автором получено выражение, позволяющее экспериментально определить давление впрыска (перед сопловыми отверстиями) по оптическим параметрам регистрации развития факела, что может быть рекомендовано для экспресс контроля распылителей. 4 На основании проведенных исследований автором введен поправочный коэффициент к. Для исследуемой топливной аппаратуры получено выражение для его определения в зависимости от давления впрыска топлива. Рекомендуется использовать коэффициент к при математическом моделировании рабочего процесса. 5 Угол опережения впрыска топлива УОВ оказывает значительное влияние на протекание рабочего процесса дизеля, поэтому необходимо определить оптимальный УОВ, при котором параметры цикла являются оптимальными (например, для дизеля БМД-3 оптимальным УОВ является угол -16,5 град п. к. в.). 6 Анализ влияния различных комплектаций ТА на параметры дизеля ЧН15/15 выявил, что при комплектации ТА форсункой с распылителем 9x0,3x140 ухудшились показатели экономичности и токсичности относительно параметров, полученных при комплектации распылителями 9x0,3x160 (например, замеренный расход топлива увеличился на 8,2...24,5 г/(кВт ч)). Это указывает на несоответствие угла, под которым расположены отверстия распылителя форме камеры сгорания. 7 Полученные экспериментальные данные влияния диаметра отверстий распылителя на параметры рабочего процесса дизеля ЧН15/15 подтверждают данные теоретических исследований на ЭВМ, проведенных в Главе 3. При увеличении диаметра сопловых отверстий распылителя форсунки и неизменном давлении впрыска экономичность цикла ухудшается, поэтому целесообразно увеличивать диаметр сопловых отверстий при форсировании дизеля, так как в этом случае это необходимо из-за неизбежного роста цикловых подач. 8 При анализе влияния увеличения выступания распылителя форсунки 9x0,3x160 в камеру сгорания с 5,1...5,35 до 5,6...5,9 мм на мощностные и экономические параметры цикла дизеля ЧН 15/15 выявлено, что это нецелесообразно, так как в этом случае топливная экономичность снижается, а содержание токсичных компонентов в отработавших газах растет. 9 При анализе влияния сокращения продолжительности впрыска за счет увеличения давления впрыска топлива при форсировании дизеля ЧН 15/15 выявлено, что при сокращении продолжительности впрыска топлива и одновременном согласовании параметров ТА с геометрией КС происходит улучшение экономических параметров цикла дизеля, повышается эффективность сгорания топлива, содержание токсичных компонентов в отработавших газах снижается. 10 Нашли экспериментальное подтверждение теоретические утверждения, сделанные в предыдущих главах. В результате выполненного теоретического и экспериментального исследования сделаны следующие выводы: 1 Анализ литературных данных выявил, что резервы повышения индикаторного КПД дизеля необходимо искать в интенсификации процессов смесеобразования и сгорания. Одним из перспективных направлений усовершенствования рабочего процесса дизеля является интенсификация впрыска топлива, которая при определенных условиях позволяет обеспечить одновременное улучшение топливной экономичности дизеля и снижение токсичности отработавших газов. 2 Для повышения индикаторного КПД и получения приемлемых значений показателей цикла необходимо организовать своевременный подвод тепла по определенному закону. Этого можно добиться сокращением продолжительности впрыска за счет более высоких энергий впрыска, что приведет к сокращению продолжительности сгорания cpz и улучшению качественной составляющей сгорания, определяемой показателем т. Одновременно нужно стремиться к соблюдению оптимального баланса между величинами вредных выбросов, топливной экономичностью и прочностью деталей КШМ. 3 Путем оптимального изменения продолжительности впрыска и, следовательно, сгорания за счет увеличения давления впрыска топлива, варьированием угла опережения впрыска топлива, количеством и диаметрами сопловых отверстий распылителя форсунки, можно повысить индикаторный КПД и снизить содержание окислов азота в ОГ. 4 При создании ТА повышенной энергии впрыскивания необходимо увеличивать объемную скорость вытеснения топлива (за счет увеличения диаметра и хода плунжера), давление начала движения иглы форсунки, диаметр трубопровода, а также эффективное проходное сечение распылителя форсунки. 5 Предложенная методика оптического исследования топливовоздушного потока и уточнение коэффициента для математической модели развития топливной струи позволяют исследовать влияние конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратуры на скоростные характеристики нестационарных турбулентных струй в процессе распыливания топлив.
