2462

Анализ работ по физическим процессам, вызывающим распад струи жидкости на капли [32, 33, 34], показал, что диаметр капель уменьшается при снижении вязкости и величины поверхностного натяжения топлива, при увеличении давления перед соплом и при уменьшении диаметра сопла.

При оценке мелкости распыливания топлива (дробление на мелкие капли) обычно определяют средний диаметр по Заутеру, который пропорционален отношению суммарного объёма всех капель к их суммар-

где Ni − число капель с данным наружным диаметром; di – диаметр капель.

На основании обработки экспериментальных результатов и теоретических предположений А.С. Лышевский [36] получил зависимость, позволяющую определять средние диаметры капель при впрыске.

Для среднего диаметра капель по Заутеру была получена формула

где dc – диаметр соплового отверстия, м; к – критерий плотности;

Wе – критерий Вебера; Lр – критерий Лапласа.

Критерий Вебера учитывает влияние сил инерции и поверхностного натяжения на процесс распыливания топлива и определяется из выражения

где Д – действительная скорость истечения топлива из соплового отверстия, м/с; ρТ – плотность топлива, кг/ м3; σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м (для дизельного топлива σ = 0,029 Н/м).

Действительная скорость истечения дизельного топлива через сопловые отверстия равна [37, 38]

131

По формуле (2.26) находим критерий Вебера:

где ρв – плотность воздуха в конце такта сжатия.

При температуре воздуха в конце такта сжатия 1000 К и давлении 7 МПа плотность воздуха составит 21,6 кг/м3.

Критерий плотности будет равен

ρк = 21,6 / 850 = 0,025.

Одним из основных законов капиллярных явлений, влияющих на мелкость распыливания топлива, является закон Лапласа:

где μТ – коэффициент динамической вязкости топлива, Н∙с/м2 . Динамическая вязкость топлива μТ (Па∙с), кинематическая вяз-

кость ν (м2/с) и плотность Т (кг/м3) связаны выражением

Для расчета критерия Лапласа определим коэффициент динамической вязкости. Кинематическая вязкость дизельного топлива при 20 оС составляет 4∙10-6 м2/с. При плотности 850 кг/м3 динамическая вязкость, согласно выражению (2.31), составит 0,0034 Н∙с/м2.

По формуле (2.30) для диаметра отверстия 0,35 мм определим критерий Лапласа:

Топливо в каналах форсунки нагревается, его вязкость снижается, и диаметр капель уменьшается. Кинематическая вязкость дизельного топлива при увеличении температуры с 20 до 60 оС уменьшается с 4∙10-6

до 2∙10-6 м2/с.

В табл. 2.6 показано изменение диаметра капель распыленного топлива (мкм) в зависимости от диаметра соплового отверстия и различных средних давлений перед сопловыми отверстиями. С уменьше-

132

нием диаметра соплового отверстия и увеличением давления топлива размеры капель уменьшаются.

Таблица 2.6

Зависимость среднего диаметра капель распыленного топлива (мкм) от давления перед сопловыми отверстиями и диаметра отверстия

2.3.2. Определение эффективного проходного сечения распылителя при помощи номограммы

В табл. 2.7 приведены основные технические данные тепловозных двигателей и значения параметров распылителей.

133

Вкачестве примера расчетным путем определим для дизелей

ООО«Коломенский завод» 4-36Д, 8ЧН26/26 значение цикловой подачи, суммарное значение проходного сечения сопловых отверстий распылителей, их число и диаметр.

Для режима номинальной мощности цикловую подачу для дизеля 8ЧН 26/26 определим по формуле [1]

где qе – удельный эффективный расход топлива, 200 г/(кВт· ч); Nе – эффективная номинальная мощность, 993 кВт; i – число цилиндров, 8; nн – частота вращения вала насоса, 375 мин-1; ρТ – плотность топлива, 0,85 г/см3 (850 кг/м3).

Величина эффективного проходного сечения µF для распылителей тепловозных дизелей с подачей топлива за цикл от 1000 до 2000 мм3 лежит в пределах 0,5 – 1,0 мм2.

Выполняя расчеты и используя формулы (2.11) – (2.16), получим µF = 0,64 мм2, диаметр сопловых отверстий 0,36 мм, число сопловых отверстий 9. Расчеты практически не отличаются от данных, приведенных в табл. 2.7.

Для тепловозных двигателей мощностью более 500 кВт при выборе эффективного проходного сечения распылителя µF в зависимости от цикловой подачи qц и продолжительности впрыскивания φВ – рекомендуется номограмма, приведенная на рис. 2.31.

Каждая линия поля номограммы построена для постоянных значений µF и скорости истечения топлива из сопла [39]. Изменялась продолжительность впрыска φВ, определялась цикловая подача топлива qц. Номограмма построена для частоты вращения вала двигателя 1000 мин-1 (для насоса 500 мин-1), среднего давления топлива перед сопловыми отверстиями 40 МПа.

При расчете номограммы применялись формулы (2.34), (2.11) – (2.16), с использованием которых определялись:

–требуемая цикловая подача топлива, зависящая от мощности дизеля, удельного расхода топлива, частоты вращения вала ТНВД;

–теоретическая скорость истечения топлива через сопловые отверстия;

–объемный секундный расход топлива;

–количество топлива qц, поданное в камеру сгорания за время впрыска.

134

Общая формула для расчета и построения номограммы имеет вид

Величина теоретической скорости истечения топлива Т зависит от среднего значения давления перед сопловыми отверстиями Р. Так, для Р = 50, 100, 150 МПа и плотности топлива 850 кг/м3 значение Т достигает 340, 480, 590 м/с. Для постоянных значений µF, Р, nн, но переменной величине φв (например, 10, 15, 20, 25о) определяли величину цикловой подачи qц. По найденным значениям qц (минимум три точки) про-

водилась линия (например, для постоянного значения µF = 0,5 мм2).

Рис. 2.31. Номограмма зависимости qц от φВ для различных значений µF тепловозного дизеля:

1 – 0,4 мм2; 2 – 0,5 мм2; 3 – 0,6 мм2; 4 – 0,7 мм2; 5 – 0,8 мм2; 6 – 0,9 мм2; 7 – 1,0 мм2

Изменяя Р и nн для требуемой интенсификации процесса впрыска топлива (продолжительности впрыска φв), можно построить семейство номограмм, по которым выбирается для конкретного дизеля необходимое µF.

Из номограммы следует, что для цикловой подачи 1500 мм3 и продолжительности впрыска 17о эффективное сечение распылителя равно 0,86 мм2 (дизель 16ЧН 26/26 мощностью 2944 кВт при частоте враще-

135

ния коленчатого вала 1000 мин-1). При количестве сопловых отверстий 9 их диаметр составит 0,39 мм, что соответствует данным табл. 2.5.

2.3.3.Согласование периода задержки самовоспламенения топлива

вцилиндре дизеля с дальнобойностью топливного факела

Поданное топливо в камеру сгорания (КС) воспламеняется с задержкой. На задержку теплового воспламенения главное влияние оказывают температура воздуха (разброс кинетической энергии молекул от своего среднего значения) и плотность (расстояние между молекулами), которая зависит от давления. Период задержки i – это время от начала подъема иглы форсунки до момента воспламенения топлива (отрыв линии сгорания от линии сжатия).

Время задержки самовоспламенения распыленного топлива приближенно можно определить по формуле академика Н.Н. Семенова [40]

где В – постоянный множитель, Н·с/м2, зависящий от вида дизельного топлива (летнее, межсезонное, зимнее, арктическое), свойств топлива (цетанового числа); Рс – давление в цилиндре в момент начала подачи топлива, Н/м2; п – порядок реакции (для бимолекулярной смеси при соударении двух реагирующих молекул п = 2); e – основание натурального логарифма (2,71); Е – энергия активации, необходимая для разрыва существующих межмолекулярных связей, Дж/моль (при температуре более 600 К величина Е = 20 000 – 40 000 Дж/моль); R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль∙К); Тс – температура воздуха в момент подачи топлива в КС, К.

Для Е = 38 000 Дж/моль; Рс = 7·106 Па; Тс= 700 К, В = 300; п = 1,2

величина τi определена по формуле (2.36) и равна 0,0012 с.

На рис. 2.32 показано изменение значения i от температуры в конце такта сжатия. Давление газов в цилиндре Рс = 7 МПа, постоянный множитель В = 300 Н·с/м2, соответствующий цетановому числу дизельного топлива, 45 – 55.

Величины Рс и Тс зависят от степени сжатия, давления наддува, состояния поршневой группы и механизма газораспределения. При достижении давления Рс = 7 МПа и температуры 750 К в КС величина i будет равна 1,5 мс (см. рис. 2.32).

136

При расчете периода задержки воспламенения желательно учитывать коэффициент избытка воздуха α и среднюю скорость движения поршня в цилиндре ( = S ·n /30).

Рис. 2.32. Влияние температуры в конце такта сжатия на период задержки самовоспламенения топлива

В работе [41] предложена формула, которая учитывает дополни-

где В =1, при корректировке угла опережения впрыска топлива может принимать другие значения; α – коэффициент избытка воздуха (1,6 – 2,0 для дизелей); – средняя скорость поршня, м/с; Р – давление в цилиндре в момент начала подачи топлива, Н/м2 (Па); Т– температура воздуха в момент подачи распыленного топлива в камеру сгорания, К; коэффи-

циенты степени х = 0,75; у = 0,24; z = 0,27.

Для дизеля КамАЗ-740 (8ЧН 12/13) мощностью 205 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1900 мин-1 с Р = 7·106 Па; Т= 700 К;

α =1,8; =8,2 м/с; х = 0,75; у = 0,24; z = 0,27 по формуле (2.36) была определена величина τi = 0,001 с.

Формулы (2.36) и (2.37) с достаточной для практики точностью определяют τi для заданных Р и Т. Более точные значения периода задержки воспламенения определяются экспериментальным путем.

На рис. 2.33 показаны поршень диаметром 26 см с камерой сгорания двигателя 16ЧН 26/26, факел распыленного топлива и его длина Lф. Время движения факела от сопловых отверстий до стенки КС должно быть равно времени периода задержки воспламенения [17]. Путь факела корректируют, изменяя диаметр сопла, скорость истечения топлива (давление), продолжительность впрыскивания.

137

Рис. 2.33. Схема факела топлива в КС: 1 – поршень; 2 – камера сгорания;

3 – факел распыленного топлива; 4 – распылитель

На рис. 2.34 показаны факелы распыленного топлива, выходящие из сопловых отверстий форсунки дизеля. Распыленное топливо в виде мелких капель диаметром 20 – 40 мкм, поступая в камеру сгорания, где температура в конце такта сжатия достигает 500 – 700 оС, прогревается, испаряется, окисляется кислородом воздуха и самовоспламеняется. Периодом задержки самовоспламенения считается время от начала выхода факела распыленного топлива из соплового отверстия до момента начала образование пламени.

Рис. 2.34. Вид топливных факелов распыленного топлива

138

Период задержки самовоспламенения должен быть согласован с длиной распыленного факела [19]. Изменение величины Lф в результате закоксовывания распылителей и несогласованность с i обычно приводят к увеличению расхода топлива.

Расчетная длина факела от соплового отверстия определялась по формуле А.С. Лышевского [42]

где dc – диаметр соплового отверстия распылителя, м; Д – действительная скорость истечения топлива из сопла, м/с; τ – время движения факела из распылителя, с; We – критерий Вебера; Мх – критерий Маха (отношение скорости потока жидкости к скорости звука); ρк – критерий плотности.

Критерий Вебера, характеризующий отношение сил инерции и сил поверхностного натяжения, находим из формулы

где ρТ – плотность топлива, кг/ м3; σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м (для дизельного топлива 0,029).

При среднем постоянном давлении дизельного топлива перед сопловыми отверстиями Р = 40 МПа за время впрыска 0,0066 с (угол поворота вала насоса 15о), при диаметре сопла dc = 0,35 мм, действительной скорости вытекающего топлива из сопла Д = 215 м/с, критерии Вебера 474 200, критерии Маха 0,63, критерии плотности ρк = 0,025 пройденный путь факела составит

На рис. 2.35 приведена зависимость развития факела распыленного топлива от времени в мс. Диаметр соплового отверстия dc = 0,35 мм, среднее давление топлива изменялось от 30 до 150 МПа. Данный график необходим для согласования периода задержки воспламенения, который зависит в основном от давления и температуры газов в цилиндре в момент впрыска топлива и дальнобойности факела распыленного топлива.

139

Под действием среднего перепада давления перед сопловым отверстием, равного, например, 40 МПа за время 1,5 мс, факел распыленного топлива пройдет путь 120 мм до стенки КС двигателя 16ЧН 26/26. Данному времени будет соответствовать угол, равный 9о (период задержки воспламенения).

Рис. 2.35. Зависимость длины факела распыленного топлива от давления и времени его выхода из соплового отверстия:

1 – 30 МПа; 2 – 50 МПа; 3 – 100 МПа; 4 – 150 МПа

За время, равное задержке воспламенения, передний фронт распыленного топлива должен пройти путь от сопловых отверстий форсунки до стенки КС. Длина топливного факела должна быть согласована с периодом задержки воспламенения [19]. При слишком большой дальнобойности топливо скапливается на стенке КС, образуя пленку, что ухудшает ее сгорание. При малой дальнобойности распыленное топливо находится вблизи форсунки, не заполняет объем КС, не использует полностью кислород воздуха в процессе горения.

Втабл. 2.8 указана длина факела, определенная по формуле (2.38),

взависимости от времени задержки воспламенения (см. рис. 2.35).

Таблица 2.8

Путь факела (длина) в зависимости от времени

140