Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Отсутствие учета влияния вихря на траекторию движения струи в модели Разлейцева является серьезным недостатком, ограничивающим областьприменения модели лишь среднеоборотными дизелями.2. Знание локальных температур и концентраций топлива необходимодля корректного расчета эмиссии оксидов азота и сажи, однако такие допущения модели Хироясу, как равенство массы топлива в каждом пакете и отсутствие обмена каплями между пакетами ставят под вопрос корректность расчетаиспарения в пакетах переднего фронта струи.
Известно, что передний фронтпостоянно обновляется подлетающими из ядра струи каплями, которые быливпрыснуты позже, а часть ранее впрыснутых капель отстает, рассеиваясь в разреженной оболочке струи.3. Модель Разлейцева абстрагируется от вопроса обмена каплями междузонами и принимает оценочный метод его расчета.4. Форма пристеночного потока сильно зависит от конфигурации стеноккамеры в поршне, и допущение о его круглой форме, ограничивает применениемодели Хироясу для оптимизации формы КС.5. Структурирование ПП позволяет учесть значительную разницу вусловиях испарения капель летящих высоко от поверхности и близко к ней, атакже учесть оседание топлива на поверхностях крышки цилиндра и на зеркале.Детальный учет структуры пристеночного потока является преимуществом модели Разлейцева.6. Температура поршня очень сильно влияет на условия испарения ПП.Учет влияния температуры стенок на условия испарения пристеночного потокаявляется сильной стороной модели Разлейцева7.
Взаимодействие струй в тесных условиях КС при высоких уровняхфорсирования существенно ухудшает условия испарения. Не учет этого эффекта сужает область применимости обеих моделей.- 121 -8. Интенсивный вихрь в КС продолжает свое воздействие на ПП, который имеет существенную толщину. Если это явление не учитывать, то формаПП будет определяться неверно и взаимодействие струй также будет оцененообеими моделями не правильно.9. Отсутствие учета хода поршня обеими моделями при определенииместа соударения струи со стенкой может привести к существенным ошибкам,если впрыскивание осуществляется очень рано (PCCI процесс), или наобороточень поздно, как это делается в современных дизелях для снижения эмиссииоксидов азота.Приведенный анализ позволяет сделать вывод о преимуществах моделиРазлейцева для расчета и оптимизации современных дизелей и необходимостиее доработки для расширения области применения.
Модель должна быть доработана для возможности учета влияния вихря на развитие как свободной струи,так и пристеночного потока образованного после ее соударения со стенкой.Также в расчетной программе необходимо предусмотреть учет положенияпоршня во время всего процесса смесеобразования при определении точки соударения оси струи со стенкой, предусмотреть возможность расчета ДВС сасимметричным расположением форсунки, с любой формой камеры сгорания, смногоразовым впрыскиванием и значительной рециркуляцией ОГ, а такжеобеспечить простую и нетрудоемкую идентификацию математической модели.Далее приводится уже реализованная в программе методика расчета смесеобразования и сгорания в дизеле с непосредственным впрыскиванием. Основные уравнения и идеология расчета были обоснованы и разработаны Разлейцевым [5, 6], поэтому в данной работе они излагаются конспективно.
Подробно изложен лишь авторский вклад [97, 98, 99, 100, 101, 102, 103] в модификацию расчетного метода Разлейцева, который делает этот метод более универсальным и, в определенной степени, свободным от указанных недостатков.- 122 -3.2. Расчет конфигурации свободной струи. Модифицированная модельЛышевского для расчета дальнобойности топливной струиПредставления Разлейцева [6] хорошо согласуются с описаниями процесса развития струй в работах других авторов, в том числе выполнявших исследования с применением лазерного зондирования, голографии, рентгеноимпульсной техники и скоростной киносъемки [104 – 107].
Они позволяют раскрыть своеобразие развития высокоскоростной дизельной струи в плотной газовой среде. Согласно этим представлениям распад жидкой струи происходитуже вблизи форсунки. Высокоскоростные порции топлива быстро продвигаются к головной части струи, раздвигая, подталкивая и уплотняя ранее сформировавшийся поток капель.
В поперечном сечении струи плотность распределениякапель и их диаметр быстро уменьшаются при удалении от оси струи. В связи сэтим периферийные потоки капель тормозятся быстрее, чем осевой поток, онипостепенно отстают и отрываются от него. Разрушение осевого потока вблизивершины струи на начальной стадии несущественно, что и обуславливаетбольшую скорость продвижения вершины струи на начальном этапе.
В дальнейшем, на основной стадии развития, осевой поток замедляется и уплотняетсясо стороны переднего фронта в связи с сопротивлением окружающего газа.Подлетающие новые порции топлива догоняют осевой поток, внедряются в него, подталкивают и уплотняют сзади. В результате в середине струи формируется протяженное осевое ядро [108] с повышенной плотностью распределениякапель и скоростью капель. Это ядро окружено относительно разреженной оболочкой из отстающих капель. Граница между начальной и основной стадиямиразвития струи соответствует моменту, когда осевой поток у вершины струиначинает деформироваться и разрушаться, образуя уплотненный грибовидныйпередний фронт.
По мере движения струи на основном участке происходит непрерывное разрушение передней части струи [90] и обновление фронта подлетающими порциями топлива [109, 110]. Отставшие капли из разрушающегося- 123 -фронта переходят в оболочку. Движущаяся струя увлекает с собой окружающий газ. При этом скорость газа в оболочке невелика. В осевом же ядре газ быстро разгоняется до скорости, близкой к скорости капель [111]. Диаметр поперечного сечения ядра составляет приблизительно 0,3 от наружного диаметраструи [6]. После окончания развития струи в ее осевом ядре остается топливо,поданное на завершающей стадии впрыскивания.В начальный период горения пламя еще не может разрушить плотное ядро топливного факела [6, 112, 94]. Поэтому во время впрыскивания, даже послевоспламенения топлива, струи будут продолжать свое движение к боковымстенкам камеры сгорания.
К концу топливоподачи вблизи стенок скапливаетсязначительная доля цикловой порции топлива. Это явление имеет место как вдвигателях с компактными камерами сгорания, так и в двигателях с широкимикамерами в поршне типа Гессельман на режимах большой мощности.Согласно модели Разлейцева, струя в своем развитии проходит три стдии:1) Начальное образование плотного осевого потока воздуха и капель.2) Основная стадия развития кумулятивной струи с торможением и разрушением осевого потока в переднем фронте.3) Период взаимодействия струи со стенками камеры сгорания и распределениеуплотненного топливо-газового слоя вдоль стенок.
Форма пристеночного пятнаи скорость его растекания в различных направлениях зависят от угла встречиструи со стенкой и влияния воздушного вихря.В рамках этой модели движение элементарной порции топлива (ЭПТ) отраспылителя к вершине струи (рис. 3.9) описывается уравнением [6]: U Uo 32= 1−llm;(3.1)где: l - текущее расстояние от форсунки до ЭПТ; U=dl/dτ - текущая скоростьЭПТ; Uo – скорость истечения ЭПТ из сопла распылителя; lm расстояние, пройденное ЭПТ до ее торможения во фронте струи.- 124 -Рис. 3.9. Зависимости параметров движения вершины струи (lm, Um) иэлементарной порции топлива (l, U) от времениЧастным решением дифференциального уравнения (3.1) будет:0.333 l 3 lm 1 − 1 − − U 0τ k = 0 , lm (3.2)где: τk – время движения ЭПТ от сопла до расстояния l.
Когда ЭПТ тормозитсяв вершине струи, то: l= lm , τk = τm и lm = Uo τm / 3.(3.3)Из уравнений 3.1, 3.2, 3.3 следует:U = U 0 (1 − τ k τ m )2 ;(3.4) τ 3 l = lm 1 − 1 − k . τ m (3.5)Для расчета расстояния от сопла до вершины топливной струи разработано большое количество эмпирических уравнений: только в обзорной статье Хироясу [113] их приведено 20. Наибольшее распространение у нас в стране получили формулы Трусова-Рябикина [114] и Лышевского [115], а за рубежом –формула Хироясу и Араи [117]. В данной модели зависимость длины струи отвремени рассчитывается по эмпирическим уравнениям Лышевского [115], модифицированных Разлейцевым [5, 6].
В уравнениях Лышевского используютсябезразмерные критерии.- 125 -Критерий Вебера, характеризующий соотношение сил поверхностногонатяжения и инерции:We = U 02m d n ρ f σ f .(3.6)Критерий М (квадрат числа Охензорге), характеризующий соотношениесил поверхностного натяжения, инерции и вязкости:M = µ f2 (ρ f d n σ f ) .(3.7)Критерий нестационарности процесса развития струи:Э = τ s2 σ f(ρf)d n3 ;(3.8)Отношение плотности воздуха и топлива:ρ = ρ air ρ f ;(3.9)где: U0m – средняя скорость истечения из сопла форсунки, dn – диаметр сопел, ρf– плотность топлива, ρair – плотность воздуха, σf – коэффициент поверхностного натяжения топлива, µf – коэффициент динамической вязкости топлива, τs –время от начала впрыскивания.Развитие свободной струи проходит два основных участка: а) начальныйи б) основной. Граница между участками обозначена lg, а время развития струидо границы – τg :l g = C s d n We 0.25 M 0.4 ρ −0.6 ;(3.10)τ g = l g2 / Bs ;(3.11)()Bs = d n U 0m We0.21M 0.16 / Ds 2 ρ ;(3.12)где: Cs = 8.25÷8.85; Ds = 4.5÷5 для условий цилиндра дизеля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
