ООО"ФилАвто"   г.Энгельс

8(8453)771368,   8(8453)711439   filavto@yandex.ru

 

 

Процессы распыливания и смесеобразования.

Процесс распада и движения распыленной струи топлива

Топливоподача, распыливание и развитие топливных струй во взаи­модействии с движущимся зарядом в КС обеспечивают смесеобразова­ние и эффективность последующих процессов рабочего цикла дизеля.
Распыливание топлива резко увеличивает поверхность жидкости, что ускоряет процессы тепло- и массообмена между воздухом высокой тем­пературы и жидкостью. Уменьшение размеров частиц обеспечивает их нагрев и испарение в более короткие промежутки времени.
Форма КС и метод применяемого смесеобразования предъявляют различные требования к распыливанию топлива и развитию распылен­ной струи.
При объемном смесеобразовании необходимы мелкое распылива­ние топлива и достаточно большая глубина проникновения струи в объ­ем КС с минимальным попаданием капель на стенки.

Пристеночное смесеобразование, когда большая часть паров обра­зуется в результате испарения топлива со стенки КС, не требует дробле­ния основной массы струи на мелкие капли, но для создания таких усло­вий необходимо истечение топлива из распыливающего отверстия со скоростями, согласованными со скоростью вихря.
Для КС, расположенных в поршне, когда топливо частично попадает на стенку, в зависимости от числа распыливающих отверстий, расстояния до стенки, направления движения топливных струй и газового заряда, а также скорости последнего изменяются и требования к мелкости распы­ливания и развитию топливных струй. На частичных подачах в ряде таких КС осуществляется объемное смесеобразование.
При малых скоростях истечения на поверхности струй возникают осе­симметричные колебания, возрастание амплитуды которых обуславли­вает образование отдельных крупных капель. С увеличением скорости истечения возникают волнообразные деформации струи, ось ее искрив­ляется, что приводит к волновому распаду.
При истечении струи с большими скоростями распад струи начинает­ся вблизи распыливающего отверстия. При этом, наряду с каплями раз­личных размеров образуются нити, пленки и обломки струи, которые за­тем, под воздействием сил поверхностного натяжения и аэродинамичес­кого сопротивления, дробятся на более мелкие капли. Возможно также слияние капель вследствие соударения при движении в распыленной струе. Такой распад струи принято называть распыливанием.
Анализ факторов, вызывающих распад струи, показывает, что исход­ными являются возмущения потока топлива, возникающие при его дви­жении в распылителе. Эти возмущения вызывают появление начальных искривлений цилиндрической поверхности струи при осесимметричном или волновом распаде и разрыве струи при распыливании.
Опыты показали, что предварительная турболизация потока улучша­ет мелкость и однородность распыливания струи.
Повышение плотности газовой среды не приводит к существенному снижению средних диаметров капель. Исследования показали, что на размеры капель влияют условия обтекания входной кромки распыливаю­щего отверстия и не влияет плотность газовой среды.
Можно предположить, что при распыливании струя распадается вблизи соплового отверстия под действием таких факторов, как вихре- образование в потоке и турбулентность, выделение растворимого в топ­ливе воздуха, вибрации распылителя и неточности формы отверстия. На распыливание влияет также нестационарность процесса впрыскивания топлива. Препятствуют начальному распаду струи при распыливании вяз­кость и силы поверхностного натяжения. Распад струи может происхо­дить и в канале распыливающего отверстия, если создаются условия для выделения воздуха, растворенного в топливе. Последующее дробление крупных капель, пленок и нитей в основном происходит под действием сил аэродинамического сопротивления.
В процессе впрыскивания через многострунную форсунку на основ­ном участке подачи, струя вытекает из распылителя с большими скоро­стями, при этом происходит распыливание топлива. В конце впрыскива­ния скорость снижается. Истечение топлива на данном участке происхо­дит при малом перепаде давлений под действием движения иглы от упо­ра к седлу и сил инерции потока.
В результате отмечается появление из распыливающего отверстия нераспавшейся струи с последующим образованием осесимметричных или волновых колебаний, вследствие чего происходит распад струи на крупные капли. В конце впрыскивания видны нити топлива и крупные об­ломки струи (рис. 3.32).


Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели
Рис. 3.32. Вид струи при различных фазах впрыскивания [топливная аппаратура дизеля ЯМЗ (6413/14), dc = 0,34мм, Vu = 30мм3, п = 450мин ']

Следует отметить, что последние порции топлива вытекают из распы­лителя в виде тонких струек, не заполняя всего сечения распыливающего отверстия. На начальном участке впрыскивания топливо вытекает из рас­пылителя также с малой скоростью.
При этом может возникать цилиндрическая нераспавшаяся струя, кото­рая сохранится очень короткий промежуток времени. Затем она разрушит­ся порциями топлива, следующими за ней с нарастающими скоростями.
В результате распада топливной струи образуется большое число ка­пель различных размеров. Для характеристики размеров капель и спект­ра их диаметров, т.е. мелкости и однородности распыливания, принято использовать средние диаметры капель и кривые распыления. Наиболь шее распространение получили средний арифметический, поверхност­ный и объемный диаметры капель. Кроме того, для расчета процессов тепло- и массообмена между каплями и газом широко используют сред­ний диаметр, при котором капли средних и истинных размеров имеют одинаковые суммарные поверхности и объемы (массы).
Распыленная струя, образующаяся в результате впрыскивания ди­зельными форсунками, является нестационарной многофазной турбу­лентной струей, состоящей из смеси паров и капель топлива, а также га­
за. Время формирования струи составляет 1,5-2,5 мс. При этом истечение из распыливающего отверстия происходит при изменяющемся давлении от равного противодавлению газовой среды до максимального давления, достигающего 35-200 МПа и более. Соответственно скорость истечения меняет свое значение в широких пределах. Анализ фотографий движу­щейся распыленной струи показывает, что она неоднородна. В струе на­блюдаются зоны с большей и меньшей концентрацией топливных частиц, образовавшихся в результате распада как бы отдельных порций топлива.
Предполагается, что периодические срывы вихревой зоны в распы- ливающем отверстии и колебания в струе вызывают ее разрыв на отдель­ные порции, в свою очередь, распадающиеся на совокупности капель различных диаметров.
Наличие таких отдельных порций в струе хорошо видно на рис. 3.33, где показано развитие струи в неподвижном газе и потоке, перпендику­лярном к оси струи.
Когда впрыскивание происходит в неподвижную газовую среду (ип = 0), хорошо видна неоднородность структуры струи. Если струя об­дувается поперечным потоком со скоростью ип = 35 м/с, то на обдувае­мом фронте образуется ряд выступов, создаваемых движением отдель­ных распадающихся порций топлива.
Топливная струя неоднородна по ширине. Вдоль ее оси находится от­носительно плотное ядро, которое состоит из распадающихся макрообъ­емов. Ширина ядра струи соответствует 3-5°.
Ядро струи движется в спутном потоке капельно-воздушной смеси, представляющем собой пограничный слой топливной струи. Поперечные
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиразмеры макрообъемов в ядре много меньше пограничного слоя. При малых диаметрах рас­пиливающих отверстий и пода­чах ядро отсутствует.
Под действием уже неболь­ших скоростей газового потока, направленного перпендикуляр­но к оси распыливающего отвер­стия, внешние слои струи разру­шаются и увлекаются потоком со скоростью, близкой к скорости потока. Для разрушения внут­ренних слоев необходима раз- Рис. 3.33. Вид струи при впрыскивании в личная скорость потока, которая неподвижную газовую среду и в поток газа в определяется структурой струи. момент t = О,8Нмс[топливнаяаппаратура                                                     При наличии Ядра, что COOT-
дизеля ямз (6ЧН13/14), dc - 0,32мм, ветствует большим диаметрам vu = 115мм1, п = 1050 минРвпр = 1,2 МПа], распыливающего отверстия и а) ип = 0; б) ип = 35 м/с.

цикловым подачам, скорость потока достигает 7СМ00 м/с. Если ядро от­сутствует, то скорость потока газа, разрушающая струю, будет меньше. Когда разрушения внутренних слоев струи не происходит, под действием газового потока они перемещаются как упругое, твердое тело, определяя положение «жидкой» линии.
В дизелях на протекание процесса смесеобразования и сгорания от­водится время, исчисляемое сотыми или тысячными долями секунды.
Качество смесеобразования определяется:
а)  макроструктурой смеси, под которой подразумевают равномер­ное распределение впрыснутого топлива по воздушному заряду камеры сжатия.
Макроструктура зависит от числа, направления и формы топливных струй, формы КС, интенсивности газовых потоков в КС и других факторов;
б)   микроструктурой смеси, характеризующейся тонкостью и одно­родностью распыливания (каждая единица объема воздуха содержит ка­пельки топлива одинакового размера).
Тонкость распыливания характеризуется средней величиной диамет­ра капель топлива.
Чем однороднее и тоньше распыл, тем более полно используется кислород воздушного заряда и обеспечивается своевременность и пол­нота сгорания топлива.
Диаметр капель распыленного топлива лежит в пределах 6-125 мкм. В быстроходных дизелях размер капель обычно не превосходит 50 мкм. Тонкость и однородность распыливания топлива, а также процесс испа­рения его в значительной мере зависят от интенсивности воздушных по­токов внутри цилиндра.
Топливо впрыскивается в цилиндр двигателя под давлением 100-250 МПа. Подача топлива насосом производится с переменной скоростью. За время впрыска параметры среды меняются вследствие перемещения поршня и начавшегося сгорания.
Скорость истечения топлива через распылитель форсунки обуслав­ливается перепадом давления. Величина перепада в начальный моменту форсунки закрытого типа определяется затяжкой пружины, а также мест­ными сопротивлениями сопловых отверстий.
В существующих двигателях начальная скорость истечения топлива из сопловых отверстий составляет 150-400 м/с и более.        .
Одним из важных параметров процесса впрыска является дально­бойность топливного факела, под которой подразумевают расстояние, проходимое вершиной факела за определенный промежуток времени (обычно за период задержки самовоспламенения).
Для обеспечения высококачественного смесеобразования необходи­мо, чтобы путь, проходимый вершиной факела в течение tj, соответство­вал размерам КС.
Дальнобойность струи топлива определяет возможность использо­вания для горения наиболее удаленных от сопла частей воздушного заря­


да. Вместе же с углом конуса и направлением топливной струи дально­бойность определяет оптимальную форму КС.
Отклонение длины факела от оптимального значения в ту или иную сторону при прочих равных условиях приводит к ухудшению показателей работы двигателя.
В случаях излишней дальнобойности топливного факела часть топ­лива будет оседать на стенках КС. Это топливо не успевает вовремя сго­реть или вообще воспламениться. Оно остается на стенках КС в виде са­жи (или скоксовавшейся массы) или же стекает по стенкам цилиндра в картер, разжижая масло, вызывая таким образом повышенный износ трущихся деталей и задиры подшипников (коренных и шатунных).
При малой дальнобойности факела, сгорание происходит с местным недостатком воздуха. В связи с этим увеличивается догорание, на выхло­пе появляется дым. В итоге - ухудшение экономичности.
Наиболее чувствительны к дальнобойности топливной струи двига­тели с непосредственным впрыском.
Качество распыливания топлива помимо дальнобойности топливно го факела L и его формы (угол конуса в обеих плоскостях) оценивается также характеристикой или спектром распыливания (рис. 3.34), пред­ставляющей собой кривую, построенную в координатах, где по оси аб­сцисс откладываются размеры капель топлива dK, а по оси ординат - про центное содержание капель данного размера в исследуемом объеме или площади сечения топливной струи.
Чем уже интервал Ad, тем однороднее распыл; чем ближе максимум кривой к оси ординат и чем он выше, тем тоньше распыл.
Факторы, влияющие на качество распыливания
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиДавление впрыска.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиС увеличением давления впрыска увеличивается ско­рость истечения топлива из сопла форсунки. В связи с этим повышается тонкость и однородность распыливания (рис. 3.35). Дальнобойность струи возрастает.
Давление в цилиндре в момент впрыска топлива.
С увеличением давления в цилиндре возрастает аэроди­намическое воздействие со­противления воздуха на топ­ливный факел. Тонкость и од­нородность распыливания возрастают. При этом прини­
мается, что перепад давления в форсунке остается неизмен­ным В противном случае повы­шение рс будет сопровождаться снижением скорости истече­ния, уменьшением эффекта на­чальных возмущений. В итоге качество распыливания может мало измениться. С увеличени­ем противодавления падает dkl мм дальнобойность струи топлива и возрастает угол конуса топ­ливной струи. На рис. 3.36 представлена зависимость среднего диаметра капель от перепада давления при впрыс­ке для различных значений противодавления среды.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиКак видно из характера кривых, приведенных на ри­сунке, при малых противодав­лениях среды тонкость распы ливания зависит главным об­разом от скорости истечения топлива(кривая 4).
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиПри более высоких значе­ниях плотности среды большее влияние оказывает аэродина­мическое воздействие сопро­тивления воздуха на топлив­ный факел.
По мере увеличения рк возрастает и давление в конце сжатия, поэтому в двигателях с наддувом качество распылива­ния будет улучшаться. Для до­стижения необходимой даль­нобойности топливного факела предусматривается некоторое увеличе­ние сечения сопловых отверстий.
Диаметр сопловых отверстий. При возрастании dc распыл стано­вится более грубым и менее однородным (рис. 3.37). Это объясняется тем, что по мере увеличения диаметра сопловых отверстий требуется большее время на распад топливной струи, так как длина факела топлива увеличи­вается примерно пропорционально корню квадратному из диаметра соп­ла, а подача топлива в секунду - пропорционально квадрату диаметра. При увеличении диаметра сопла возрастает относительная толщина фа


Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиФильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели


V

 

 

 

ттиг

 

Ч-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2 0.4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 fc.MM2
Рис. 3.38. Изменение угла конуса струи V в зависимости от площади сечения сопловых отверстий

кой, исключаются дополнительные впрыс­ки, уменьшается продолжительность пода­чи топлива.
Число оборотов топливного насоса.
С увеличением числа оборотов вала топлив­ного насоса пк возрастает скорость движе­ния плунжера и повышается давление впры­ска. Число оборотов вала топливного насоса влияет на величину максимального давле­ния впрыска (Рнмах)и на характер изменения
кела (толщина факела уве­личивается быстрее, чем его длина). По мере роста диа­метра сопловых отверстий снижается роль начальных возмущений.
Следует отметить, что по мере возрастания и поз­же по времени, и дальше от сопла начинается распад струи, центральный угол ко­нуса струи уменьшается (рис. 3.38).
Давление затяжки пружины. Увеличение р3 приводит к возрастанию среднего давления впрыс ка, а, следовательно, к по­вышению тонкости и одно­родности распыливания (рис. 3.39). Одновременно при повышении давления затяжки пружины увеличи­вается дальнобойность струи, отсечка подачи топ­лива делается более чет-


Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигатели
10 50 90 130 170 210 d„, мк
Рис. 3.39. Влияние давления затяжки пружины форсунки на тонкость и однородность распыливания

лива, поступающего в ци­линдр двигателя за едини­цу времени (см. рис. 3.43). Следует отметить, что со­кращение продолжитель­ности впрыска топлива происходит медленнее по сравнению с уменьшени­ем нагнетательного хода плунжера. Действитель­но, при переходе с самого пологого (№ 4) на самый крутой (№ 1) кулачок, продолжительность впры­ска снизилась всего на 3°, в то время как нагнета­тельный ход плунжера при этом уменьшился на 6°.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиЭто обстоятельство подтверждает, что закон истечения топлива из форсунки не полностью соответствует закону движения плунжера.
В насос-форсунках удается в большей степени добиться этого соот­ветствия.
Связь между характеристикой подачи и профилем кулачка усложняется наличием нагнетательного клапана с отсечным пояском, нагнетательного трубопровода, пружины форсунки и других конструктивных элементов сис­темы, поэтому невозможно построить профиль кулачка, осуществляющий заданный закон подачи топлива. Но используя опытные данные, можно из­менить характеристику подачи в желаемом направлении с учетом величин допускаемых сил инерции и меньших ударных нагрузок.
Влияние топливопровода высокого давления на процесс пода­чи топлива. В настоящее время на дизелях применяют достаточно проч­ные и жесткие топливопроводы высокого давления, основными параме­трами которых являются внутренний диаметр и длина. При исследовании топливной системы было установлено, что с уменьшением внутреннего диаметра топливопровода высокого давления не всегда снижается цик­ловая подача топлива. Наибольшая подача этой системы достигается при некотором оптимальном для данной системы значении внутреннего диа­метра топливопровода.
Существование максимумов на кривых зависимости давления впры- ска ртах и подачи от проходного сечения топливопровода высокого дав­ления подтверждают кривые на рис. 3.44.
С увеличением или уменьшением внутреннего диаметра топливо­провода относительно оптимального его значения на процесс впрыска
оказывает преобладающее влияние или снижение динамического напора, или рост гидравлического сопротивления.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиУвеличение потерь в топливопроводе при уменьшении его внутреннего диа­метра или повышении вязкости топлива проявляется также и в более интенсив­ном затухании отраженных волн давле­ния, в результате чего можно сократить или даже устранить подвпрыск топли­ва. В связи с этим, положение максиму­мов на кривых и диаметр топливопро­вода, при котором нет подвпрыска, так­же зависят от вязкости применяемого топлива. Но влияние вязкости топлива на параметры процесса впрыска значи­тельно слабее.
Данные расчета топливных систем быстроходных дизелей без учета вязко­сти топлива хорошо сходятся с экспери­ментальными данными в широком ди­апазоне изменения длин топливопроводов высокого давления при ис­пользовании топлив средней вязкости (3~6 мм2/с). Это подтверждается исследованиями на судовых дизелях, которые показали, что верхний предел вязкости топлива, при котором длина трубопровода мало влияет на давление перед иглой форсунки, может быть существенно повышен. Так, при работе с топливом вязкостью t>2o = 18.7 мм2/с замена длины топ­ливопровода L = 2 м на L = 6,7 м привела к снижению давления перед иг­лой форсунки всего на 4%, что, однако, связано еще с повышением дав­ления топлива в штуцере насоса.
При форсировании топливных систем до высоких частот вращения (2000-3000 мин 1 и выше) может проявиться влияние шероховатости внутренней поверхности топливопроводов, что в области переходных и так называемых квадратичных режимов течения жидкости отображается соответствующим изменением коэффициента трения X.
Относительное изменение величины X для разной шероховатости внутренних поверхностей топливопроводов и VT = 15-100 м/с показано на рис. 3.45.
С улучшением чистоты обработки поверхности относительная вели­чина коэффициента трения снижается тем сильнее, чем выше скорость V/T. Так, при переходе от шероховатости 320 мкм к 1.6 мкм относительная ве­личина Х/Хт1П для VT = 15 м/с может быть уменьшена в 2,5 раза, а для V/T = 100 м/с - в 6,5 раз.

Из рис. 3.45 также следу­ет, что в зависимости от ско­рости течения топлива можно получить примерно такое же снижение X, обрабатывая внутреннюю поверхность топливопровода высокого давления с шероховатостью 20 мкм (Ц. = 15 м/с) или 10-6,3 мкм (VT = 100 м/с). Так как скорость топлива даже у самых форсирован­ных топливных систем ред­ко превышает 100 м/с, то качество обработки внут­ренней поверхности топли­вопроводов должно быть достаточным для получения Х/Хггт, соответст­вующего переходу к абсолютно гладкой трубе.
Фильтры,фильтроэлементы,судовые дизеля,двигателиИспользование топливопроводов высокого давления с повышенной чистотой внутренней поверхности позволило наряду с другими меропри­ятиями существенно улучшить рабочий процесс двигателя и повысить его надежность.
При увеличении длины топливопровода наблюдается возрастание запаздывания впрыска и смещение конца подачи (рис. 3.46). При доста­точно большой длине топливопровода (Lmp = 1550 мм) подача топлива из форсунки может начаться после того, как закончится подача по насосу.
Запаздывание начала впрыска объясняется сжимаемостью топлива и конечной скоростью распространения давления. Увеличение длины топ­ливопровода не снижает резкость отсечки. Однако возрастающие при этом колебания давления могут вызвать повторные впрыски топлива.

 


 

 
 
         
 

 

 

Наши контакты

адрес:

Саратовская обл., г.Энгельс, Промзона

телефоны:

8(8453)77-13-68

89020483620

e-mail:

filavto@yandex.ru

 
Яндекс.Метрика