Диссертация (1025379), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Поэтому основное значение при смесеобразованииимеют процессы топливоподачи и распыливания топлива.Качество распыливания топлива определяется, в певую очередь,геометрическими параметрами проточной части распылителей форсунок исвойствами используемого топлива[73, 77, 154, 155, 183, 185]. Этообъясняется особенностями течения топлива по проточной части распылителяи его истечения через распыливающие отверстия. В системах топливоподачиразделенного типа топливо от ТНВД поступает в форсунку, воздействует наиглу 1 (Рис.
2.11, а), поднимая ее, протекает через образовавшийся междуиглой 1 и корпусом 2 кольцевой зазор 3 и поступает в полость 4 под иглой 3,где устанавливается давление впрыскивания рвпр. Под этим давлением топливои поступает в распыливающее отверстие 5 форсунки. Непосредственно перед66входом в распыливающее отверстие линии тока топлива искривляются (Рис.2.11, б), причем, их кривизна увеличивается от оси отверстия к его периферии.В результате возникает неравномерное поле распределения давлений искоростей потока.
При этом минимальные давления (и максимальныескорости) достигаются в периферийных участках потока, где локальныедавления могут оказаться ниже давления насыщенных паров топлива.Характерно, что сразу за входным сечением распыливающего отверстия потоктоплива сужается и возникает вихревое течение топлива (отрыв, зона А на Рис.2.11, б). Здесь зарождаются и нарастают кольцевые вихри, затем частичнораспадающиеся и увлекаемые топливом [73, 118]. В этом нестационарномтечении возникают пульсации давлений и скоростей в зоне отрыва,распространяющиеся на весь поток топлива в распыливающем отверстии. Врезультате зародившиеся у входной кромки распыливающего отверстия вихри,приводят к усилению возмущения потока топлива в этом отверстии,оказывающему влияние на последующий распад струи топлива.
Но на степеньтурбулизации струи распыливаемого топлива оказывает влияние не толькохарактер течения топлива в распыливающем отверстии форсунки, но ивозмущения потока топлива, возникающие при его течении в кольцевом каналемежду корпусом и иглой распылителя (т.е.
в кольцевом зазоре 3 на Рис. 2.11, а).Поэтому форма линий тока, степень сжатия потока топлива (наименьшийдиаметр сжатия струи dс в сечении х, длина участка lс, Рис. 2.11, б), размерызоны отрыва, турбулизация потока топлива на выходе из распыливающегоотверстия, параметры струи (ее длина L, ширина B, угол раскрытия ),мелкость распыливания топлива зависят от геометрических параметровпроточной части распылителя форсунки, а также от свойств топлива – егоплотности, вязкости, поверхностного натяжения, давления насыщенных парови др.67абРис.
2.11.Схема распылителя форсунки с геометрическими характеристиками струйраспыливаемого топлива (а) и схема течения топлива по распыливающемуотверстию форсунки (б)В настоящее время в качестве одного из основных направленийсовершенствования рабочего процесса дизелей с целью достижения требуемыхпоказателей топливной экономичности и токсичности ОГ рассматриваетсяповышениеэффективностисмесеобразованияпутеминтенсификациитопливоподачи, т.е. повышения давления впрыскивания рвпр [24, 30, 73].Увеличение давлений впрыскивания улучшает процесс смесеобразования –растет длина струй распыливаемого топлива, повышается их турбулизация,распад струи топлива начинается непосредственно у распыливающегоотверстия. Эти факторы приводят к улучшению качества распыливаниятоплива.
По данным работы [132] при увеличении давления впрыскиваниятоплива рвпр системой типа Common Rail с 60 до 180 МПа длина струй топливаувеличивается с 18 до 23 см (на момент времени t=2,0 мс после началавпрыска).Основнойцельюповышениядавлениявпрыскиванияявляетсяповышение турбулизации струй распыливаемого топлива и улучшение68показателей мелкости распыливания. Но, следует отметить, что максимальныедавления впрыскивания топлива в серийно выпускаемой топливоподающейаппаратуре уже перешли рубеж рвпрmax=150МПа [24, 30].
При такомдостигнутом уровне давлений впрыскивания целесообразно реализовать идругиемероприятия,улучшающиекачествораспыливаниятопливаисмесеобразования. Среди этих мероприятий следует выделить использованиеальтернативных топлив, в частности, эмульгированных топлив [6, 73, 88, 110,120].Как отмечено выше, влияние альтернативных топлив на параметрыраспыливаниятопливаисмесеобразованияопределяетсясвойствамираспыливаемого топлива. Среди этих свойств наиболее важными являютсяплотность топлива, его вязкость, сжимаемость, коэффициент поверхностногонатяжения,испаряемость,теплотаиспарения,гомогенностьтоплива(гомогенное смесевое топливо или эмульгированное топливо) [73, 83, 130].Поэтому в качестве одного из направлений совершенствования процессовраспыливания топлива и смесеобразования рассматривается подбор того илииного альтернативного топлива, включая смесевые и эмульгированныетоплива.
При этом различия физико-химических свойств компонентов такихтоплив, в частности, различия в теплоте парообразования и температурекипения, вызывают при распыливании и смесеобразовании такие явления, каккавитация в проточных частях распылителей форсунок, возникновениезначительной паровой фазы, «микровзрывы» в КС дизеля, дополнительнаятурбулизация потока топлива в распыливающих отверстиях и в струяхраспыливаемого топлива [6, 25, 26, 66, 73, 84, 130]. Эти эффекты позволяютсущественно улучшить качество процессов топливоподачи, распыливаниятоплива и смесеобразования.
В связи с этим определенный интереспредставляют расчетные исследования этих процессов при работе дизелей наразличных топливах.692.5. Моделирование течения топлива в распылителях форсунокпри использовании различных топливИзменение характера протекания рабочего процесса дизеля, повышениеего технико-экономических показателей при конвертации к работе наальтернативных топливах ярко выражено при использовании эмульгированныхтоплив. Различия указанных свойств компонентов эмульгированных топливсказываются в первую очередь на процессах топливоподачи, распыливаниятоплива, его испарения и смесеобразования [6, 180-184, 187].
Наилучшиерезультаты достигаются при работе дизелей на эмульгированных топливах, вкоторых присутствуют легкоиспаряющиеся жидкости – этанол, метанол,диметиловый эфир и др.Улучшение показателей дизеля, работающего на эмульгированныхтопливах, объясняется следующими факторами. Капли эмульгированноготоплива, образовавшиеся после его впрыскивания в КС, состоят из частицболее тяжелого топлива (в рассмотренном ниже случае – рапсового масла),внутри которых располагаются частицы легкокипящего топлива (этанола).Размеры этих частиц обычно колеблются от одного до несколькихмикрометров и практически не зависят от условий распыливания топлива.
Изза более низкой температуры кипения и парообразования воды при нагревечастиц ЭС, содержащихся в эмульгированном топливе, в КС дизеля онивзрывоподобно превращаются в пар, подвергая окружающие их частицы РМдополнительному дроблению и турбулентному перемешиванию за счетвыбросов паров ЭС из капель РМ. Поэтому время существования капелекэмульгированного топлива сокращается по сравнению с существованиемкапелекчистогоРМ,чтоуменьшаетпродолжительностьпроцессасмесеобразования и улучшает его качество.
Кроме того, впрыскивание в КСдизеля эмульгированного топлива позволяет снизить температуру концасжатия, среднюю и максимальную температуры цикла, что благоприятносказывается на сгорании. В результате, применение эмульгированных топлив в70дизелях позволяет снизить дымность ОГ, уменьшить выбросы оксидов азота,сократить расход топлива.Следует еще раз отметить, что течение топлива в проточной частираспылителей форсунок, отличающееся большими скоростями, высокимичислами Рейнольдса, наличием местных гидравлических потерь и отрывныхтечений.
Возможно появление областей, в которых имеют место пониженныедавления, появление газовой фазы и двухфазный поток топлива. В связи сэтим,расчеттакихтеченийтакжеявляетсядостаточносложнойгидродинамической задачей, при решении которой необходимо использованиеспециализированных программных комплексов (ПК) [54, 62, 103].Существуютиуспешноиспользуютсяразличныепрограммныепродукты, позволяющие решать задачи гидродинамики.
Наиболее известныследующие ПК: Ansys (Ansys Inc.), NX Nastran (Siemens PLM software), SAMCEF(SAMTECH), Star-CD, ABAQUS, CAELinux, SINF (Supersonic to IncompressibleFlows), ряд отечественных программных комплексов [10, 30, 99]. Примоделировании течения исследуемых топлив в проточной части распылителяфорсунки использован ПК Fluent, предназначенный для решения различныхзадач механики жидкостей и газов [10, 11, 96]. Начиная с 2006 года ПК Fluentвходит в состав программного комплекса Ansys и является одним из лучшихпакетов для CFD-моделирования. Этот пакет позволяет моделировать теченияоднофазных и многофазных сред. ПК Fluent включает такие многофазныемодели, как VOF (Volume of Fluid), mixture и модель Эйлера.
Для некоторыхмногофазных течений может использоваться модель дискретной фазы (DPM).VOF-модели используются для расчета течений со свободными поверхностями.Этот ПК позволяет учитывать взаимодействие частиц в эмульгированныхсредах. При моделировании потока эмульгированного топлива используетсямодель кавитации, включенная в ПК Fluent, а также множество моделейтурбулентности – несколько версий модели k-ε, модели k-ω, Reynolds stressмодель (RSM), LES-модель, DES-модель.71В ПК Fluent используется неструктурированная сеточная технология(типы элементов – гексаэдры, тетраэдры, призмы и пирамиды).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
