книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник

вследствие больших поперечных скоростей прорываются через наружную поверхность струи, преодолевая силы поверхностного натяжения. При малых возмущениях в сопле поперечные скорости могут затухать еще в сопле "или сразу после выхода струи из него и распада не произойдет. 'Уширение струи характеризует масштаб турбулентности в струе топлива. Турбулизация выходящего из соплового отверстия потока топлива вызывается:

1)иглой, особенно в случае малого проходного сечения под ко­ нусом;

2)наклонным расположением распыливающих отверстий по отношению к подводящему каналу;

3)острой входной кромкой соплового отверстия;

4)шероховатостью внутренней поверхности отверстия.

Турбулентность, возникшая в сопле, временно сохраняется в период полета струи и способствует ее дальнейшему распаду. Распаду от действия поперечных скоростей противодействуют силы поверхностного натяжения и вязкость. Для полного рнстгада на капли требуется определенная длина струи, на протяжении которой отдельные слои капель последовательно отделяются от уменьшаю­ щегося стержня струи. При распаде струи происходит затухание поперечн'йх-скоггостей. Ускорению затухания способствуют силы поверхностного натяжения, величина которых обратно-пропор- циональна радиусу.закругления стержня. С уменьшением стержня требуется большая энергия для преодоления сил поверхностного натяжения. Это вызывает неравномерное распределение частиц топлива в поперечном сечении топливного факела. Меньшие рас­ стояния между каплями в ядре струи будут способствовать их сталкиванию и слиянию в более крупные! На поверхности факела такая возможность меньше и капли оказываются меньшего диа­ метра. Капли топлива движутся затем в воздушной среде и испы­ тывают ее сопротивление. При отсутствии взаимного влияния капель происходило бы быстрое их торможение.

Дальнобойность факела зависит от движения и взаимного влия­ ния всей массы капель, так как при высокой густоте их располо­ жения в топливном факеле движение капель не подчиняется за­ конам движения изолированной капли. Торможение капель на различных участках их полета в топливном факеле различно. Для топлива, оказавшегося в головной части факела, происходит бы­ строе торможение, за 0,1—0,3 мс, а на участке шлейфа факела до фронтовой зоны капли движутся практически без торможения со скоростями, близкими к начальной.

Различия в интенсивности торможения капель при их полете до фронта и во фронтовой зоне вызваны несколькими причи­ нами.

В шлейфе факела существует попутный поток воздуха, возни­ кающий от прохождения передних капель, а также вследствие под­ соса воздушного заряда из окружающего пространства в резуль­ тате отдачи тепла от воздуха к частичкам топлива и появления

308

местного понижения температуры и давления воздуха, в особен­ ности в ядре факела.

Согласно фоторегистрации, в шлейфе наблюдается движение частиц топлива по отдельным трассам вслед друг другу, следова­ тельно, последующими частицами используется возмущение среды от прохождения передних капель. Так как при вылете из сопла распылителя топливные частицы движутся с очень большими ско­ ростями, то за ними образуются области пониженного давления. Последующие частицы при большой густоте капель увлекаются на трассу вслед за предыдущими, при полете за лидером будут испыты­ вать меньшее сопротивление, и до фронтовой зоны их скорость прак­ тически не уменьшается. Частица, не попавшая на трассу, будет

быстро тормозиться. Отклонение с трасс затрудняется боковым сопротивлением.

В зоне фронта факела физические условия изменяются: выше температура, среда не насыщена парами топлива, воздух движется навстречу каплям. Это способствует быстрому торможению капель во фронте, а также быстрому испарению и уменьшению размеров. Образовавшиеся пары прекращают движение вместе с каплями и распространяются вокруг. Время полуиспарения одиночной капли диаметром 10 мкм составляет менее 0,2— 0,3 мс. Остающиеся ча­ стицы капель, состоящие из тяжелых фракций топлива, могут сли­ ваться с догоняющими каплями, укрупняться и обмениваться теп­

лом и кинетической энергией до выравнивания температур и ско­ ростей.

Так как последующие капли в зоне фронта догоняют предыду­ щие, то большая часть топлива находится в головной части фа­ кела (см. рис. III. 12), а в хвостовой оказываются только что выле­ тевшие частицы и пары топлива. Следовательно, по мере про­ движения фронта происходит последовательное заполнение парами объема конуса факела. В результате в любой момент времени во фронте оказывается сосредоточенной основная доля впрыснутого жидкого топлива, а шлейф в основном состоит из паров.

В случае прекращения подачи топлива форсункой продвижение факела резко замедляется, движение капель в шлейфе полностью прекращается и в нем остаются только napbi топлива. Это показы­ вает, что фронт факела продвигается только при снабжении его топливом из форсунки, а при прекращении «подталкивания» факел распространяется медленно и равномерно во все стороны.

В случае вихревого движения воздушного заряда при попереч­ ном потоке воздуха по отношению к топливному факелу не наблю­ дается значительного изменения в скорости топливного факела. Конус факела при этом вытягивается по направлению движения воздушного потока, увеличивается его объем, и больше воздуха начинает участвовать в теплообмене с топливом.

Определение основных параметров топливного факела анали­ тическим путем пока невозможно. Количественные характеристики динамики движения топливного факела определяются в настоящее

309

время на основании экспериментальных данных. На динамику движения топливного факела и основные параметры этого про­ цесса наибольшее влияние оказывают диаметр сопла dc и скорость

ние о Н/м, атакже свойства среды, в которую производится впрыск: плотность рв кг/м3 и кинематическая вязкость vB м2/с.

Учитывая перечень факторов, влияющих на процесс распыливания и движения факела, можно написать определяющие уравне­

ния для дальнобойности факела /, угла конуса факела tg ,

мелкости распыливания dKср и распределения топлива по сече­ нию факела grlgm.. В частности, уравнение для изменения дально­ бойности факела во времени т имеет вид

l = F(x, dc, we, рт, vT, су, рв).

На основании определяющего уравнения составляется крите­ риальное с использованием метода анализа размерностей. Размер­ ности величин, входящих в уравнение, имеют три первичные ве­ личины: [м], [кг] и [с]. Введем для них новые единицы измерения, в L, М и Т раз отличающиеся от прежних. Так как физический процесс не зависит от выбора единиц измерения, то определяющее уравнение в новых масштабах сохраняет свою структуру и будет иметь вид

Новая система единиц выбирается так, чтобы три независимых переменных имели значения, равные единице:

т Г = 1 ; 4 Х = 1 ; РТ# = 1 -

Отсюда масштабные коэффициенты будут равны:

L®

Т

Рт

Подставив полученные выражения масштабных коэффициентов в определяющее уравнение, получают безразмерное уравнение

Полученные безразмерные величины приводятся к следующим критериям процессов распыливания:

критерий нестационарное™ процесса (критерий гомохронности)

wct

Но = dс = idem;

310

критерий Вебера, характеризующий соотношение сил поверх­ ностного натяжения и инерции

Далее выполняетоя преобразование критериев в выражении (III.3), например,

Таким способом получают критериальное уравнение

П, = F, (Но, Пр, We, М),

которое затем представляют в виде обобщенной зависимости

П, = сХ,

где сложный аргумент X зависит от частных критериев в виде

X = Hon,np*Wen’Mn4.

Далее выполняется оценка влияния частных критериев и опре­ деляются значения их показателей степени. Для этого из всей серии опытов выделяется группа таких, у которых одинаковы значения всех критериев, кроме одного, например, вначале— Но.

Для этой группы

ПР1 = const и Пр! = const;

Wei = const и We"* = const;

Mi = const и M?4 = const;

тогда их произведение

cnpiWei’M"4 = A\

и исходное уравнение принимает частный вид

П, = АхНо"*.

гп

Если после логарифмирования этого выражения опытные точки на графике располагаются на прямой линии, то показатель п г определится из выражения

по значениям разностей логарифмов П; и Но для точек, выбранных /на границах изменения опытных данных.

Значение коэффициента А г в дальнейших вычислениях не ис­ пользуется. Затем выделяется другая группа опытов, для которых имеются одинаковые значения всех критериев, кроме Пр; далее —

постоянный коэффициент

Пи

с

Ho"irip“-We"3M”4

Для дальнобойности топливного факела в цилиндре дизелей окон­ чательное критериальное выражение, согласно работам А. С. Лышевского [10], имеет вид

Выделив факторы, оказывающие наибольшее влияние на дально­ бойность топливного факела в цилиндре, получают приближенное выражение для оценки дальнобойности:

(111.4)

где рф — избыточное давление впрыска.

Приближенное выражение позволяет выбрать геометрические размеры сопловых отверстий и необходимое давление впрыска, обеспечивающие топливному факелу за заданный промежуток вре­ мени заданную дальнобойность, например, соответствующую про­ движению факела на расстояние от распылителя до точки встречи его со стенкой за время, равное периоду задержки воспламенения. При различных расстояниях от отдельных сопловых отверстий одного распылителя до места встречи факелов со стенкой возможно также определить потребные диаметры сопловых отверстий.

Критериальное уравнение для угла конуса топливного факела а при впрыске топлива через круглые цилиндрические сопловые отверстия в спокойную газовую среду при больших противодавле­ ниях имеет вид

tg ~ = 0,0112We°l32M0’07n°p'3,

312

т. е. после подстановки значений критериев получаем

Величина угла конуса факела при впрыске через сопловое отвер­

стие с гладкими стенками в камеру сгорания дизеля составляет примерно 20°.

На основании критериального уравнения составляется прибли­

При повышении давления впрыска, вызванном, например, уве­ личением числа оборотов, повышением крутизны кулачка топлив­ ного насоса или сокращением числа сопловых отверстий распыли­ теля дальнобойность топливного факела и угол конуса возрастают пропорционально росту давления в степени 1/3.

При увеличении диаметра сопловых отверстий также наблю­ дается одновременно рост / и а, пропорционально диаметру dc соответственно в степени 1/2 и 1/3. Следовательно, с ростом давле­ ния впрыска и диаметра сопловых отверстий объем воздушного заряда камеры сгорания, оказывающийся в пределах топливного факела, значительно возрастает. Это влияет на теплообмен между воздухом и каплями и ускоряет испарение топлива.

Увеличение плотности воздушной среды в камере сгорания вызывает уменьшение дальнобойности и в той же степени увели­ чение угла конуса топливного факела, т. е. ширина топливного ' факела с ростом плотности среды сохраняется неизменной. Объем

топливного факела к концу одинаковых промежутков .времени уменьшается.

Развитие топливного факела во времени оказывается пропор­ циональным продолжительности впрыска в степени 0,5. Следова­ тельно, скорость движения головной части по мере продвижения факела уменьшается. За" одинаковый интервал поворота коленча­ того вала в высокооборотном двигателе факел успевает проникнуть в воздушный заряд на меньшую длину, чем в малооборотных.

Величина угла конуса факела с течением времени практически не изменяется.

Параметры применяемого топлива оказывают меньшее влияние на размеры топливного факела. Наибольшее влияние на динамику топливного факела оказывает вязкость топлива. С ее ростом даль­ нобойность и угол конуса факела возрастают. Для различных видов топлив, применяемых в дизелях, вязкость отличается до 40 раз и это может вызвать повышение дальнобойности и уменьшение угла а до 80%, остальные параметры существующих дизельных

топлив практически не оказывают влияния на развитие топлив­ ного факела.

31 3

Кроме геометрических размеров топливного факела при рас­ чете процессов испарения топлива, полей концентрации и темпера­ туры в факеле требуется знать мелкость распиливания топлива и характер распределения топлива по сечению топливного факела. Оценку качества распиливания топлива для различных целей вы­ полняют либо по кривым распиливания, либо по осредненным ве­ личинам.

На рис. III. 13 приведены кривая частот распределения капель

той размера. Чем больше константа п, тем более равномерно рас­ пределение капель по размерам. Обычно значения константы на­ ходятся в пределах п — 2-н4.

Для количественной оценки качества распиливания исполь­ зуют осредненные показатели. Средний размер капли дает упро­ щенное суммарное представление об измельчении топлива. Способ вычисления среднего диаметра капель зависит от свойства, которое нужно отобразить в среднем диаметре.

Для сравнения тонкости распиливания различными форсун­ ками пользуются количественным усреднением. При этом количе­ ство капель усредненного диаметра должно быть равным числу капель реальной струи и средний диаметр вычисляется как среднее арифметическое

X id

Dio —

S '-

Индексы при среднем диаметре означают, что в числителе размер капель взят в первой степени, а в знаменателе — в нулевой.

314

Если при усреднении необходимо сохранить неизменной по­ верхность всех капель, то вычисление среднего диаметра следует выполнять по формуле

D20—

если же объем, то по формуле

з

D30 ■

При этом получаются средние диаметры поверхностный и объ­ емный, взвешенные по числу капель. Для расчетов испарения це­ лесообразнее использовать средний объемный диаметр, взвешенный по удельной поверхности

£

D32 —

I № ’

называемый диаметром по Заутеру. В подтверждение этой формулы

315

или удельную поверхность

^33

При использовании параметров уравнения Розина— Рамлера

6-ю4 г ( ’ - 4 ) см2/см3. dm

- 4 -

Для расчетов испарения возможно также применять средний объ­ емный диаметр, взвешенный по суммарной длине капель по Про-

берту, — D31.

Согласно исследованиям [10], средний объемный диаметр капель при впрыске в спокойную среду с противодавлением под­ чиняется следующему критериальному уравнению:

= 2,15 (\УеГ1р)~°'266М0'073

ас

или после подстановки соответствующих выражении получим

Это выражение свидетельствует о том, что мелкость распыливания повышается с ростом давления впрыска, уменьшением диаметра соплового отверстия, плотности воздушного заряда согласно упро­ щенной формуле

V РфРв

Согласно этому выражению в двигателе с наддувом мелкость распыливания будет лучше, чем в том же двигателе без наддува, если сохранить прежнюю дальнобойность, соответствующую раз­ мерам камеры сгорания. На мелкость распыливания влияют пара­ метры применяемого топлива. При повышении вязкости и поверх­ ностного натяжения мелкость ухудшается.

При расчетах процессов испарения и смесеобразования в фа­ келе необходимо знать распределение топлива по радиусу топлив­ ного факела. Каждая элементарная порция топлива GT кг, пере­ мещаясь в факеле по лучевым траекториям, создает поток с пере-

менной удельной плотностью по сечению факела gr = -д^- кг/страд,

подчиняющейся выражению

31 6

где gr и г — текущие удельная плотность потока и радиус; gm— удельная плотность потока топлива по оси факела; г0— радиус

факела, на расстоянии которого от оси его плотность gr = -у- gm>

Плотность потока на единицу площади сечения факела, соз­ даваемого каждой порцией топлива, по мере ее удаления от сопла на расстояние I может быть определена согласно выражению gll2. Величина радиуса г0 для случая впрыска в среду с большим противодавлением вычисляется по формуле

= 0,0215\Уе0,3Пр8М-0,1.

Удельная плотность по оси факела может быть вычислена по формуле

,0,22

gm — 'т ('о//)2 ’

и тогда плотность по сечению будет определяться по выражению

Изменение коэффициента избытка воздуха по сечению топливного факела при его длине / определится по формуле

где / 0 — теоретически необходимое количество воздуха для сго­ рания топлива в кг/кг.

При вычислении gr в качестве GTследует принимать количество топлива, поданного в цилиндр к данному моменту времени, через рассматриваемое сопловое отверстие.

По мере поступления топлива из форсунки отдельные порции топлива достигают фронтовой части факела. Плотность частиц топлива во фронтовой зоне возрастает, и распределение топлива по длине факела имеет вид согласно диаграммам, приведенным на рис. III. 12. Приведенные критериальные выражения для пара­ метров топливного факела получены [10 ] при впрыске в спокойную среду через круглые сопловые отверстия с гладкими стенками.

При использовании сопловых отверстий с завихрением струи топлива угол конуса факела возрастает, а его дальнобойность уменьшается. Изменение длины соплового отверстия также оказы­ вает влияние на характер струи. Обычно назначают длину отвер­ стия примерно равной трем диаметрам для получения стабильного истечения по всему сечению.

317