5. MODELOWE BADANIA INTERAKCJI STRUGI PALIWA NA ŚCIANKĘ
5.3. Analiza rozkładu paliwa w komorze spalania, ciśnienia wtrysku oraz
Analizę rozkładu stężenia paliwa w komorze spalania przeprowadzono w oparciu o sumaryczną liczbę pikseli obrazu, dla których stwierdzono zwiększoną luminancję w stosunku do luminancji tła (rys. 5.5 a, b, c). Każdy z pikseli reprezentuje powierzchnię równą 136,7 x 136,7 (µm x µm), co jest równe 0,0187 mm2. W ocenie poprawnej interpretacji uzyskanych wyników trzeba jednak pamiętać, że rejestrowano płaską ekspozycję obrazu przestrzennego, co wprowadza pewne trudności interpretacyjne.
a) b) c)
Rys. 5.5. Analizowane obszary zwiększonej luminancji w stosunku do luminancji tła [114]
A
B
C
A B
C
C B
A
72 Liczbę tak określonych pikseli zliczano oddzielnie, w każdym ze zdefiniowanych podobszarów (rys. 5.6) w kolejnych chwilach wtrysku, od czasu pojawienia się paliwa na zewnątrz wtryskiwacza, aż do czasu t = 3,5 ms po rozpoczęciu wtrysku. Udział wtryskiwanego paliwa określono w %, oznacza stosunek całkowitej liczby pikseli o wyższej jasności obserwowanej w określonym obszarze oraz całkowitej liczby pikseli obserwowanej we wszystkich 3 obszarach (A, B i C). Czas wtrysku wynosił twtr = 0,33 ms.
Rys. 5.6. Analiza obszarów objętych strugą paliwa z podziałem na poszczególne podobszary dla 1 pozycji tłoka [35]
73 Analiza względnego rozkładu paliwa w rozpatrywanych obszarach A, B i C pozwala stwierdzić, że ciśnienie paliwa w niewielkim stopniu wpływa na zmiany udziałów paliwa w poszczególnych obszarach komory spalania. W górnym obszarze komory spalania (obszar A nad tłokiem), w końcowej fazie pomiarów (po około 3,5 ms), maksymalne różnice udziału obszarów objętych przez strugę paliwa przy zmianie ciśnienia wtrysku wynoszą około 15%.
W pozostałych obszarach (B i C) wpływ ciśnienia paliwa, również powoduje maksymalne zmiany obszarów strugi w zakresie do około 15%, z jednoczesną tendencją do jego zmniejszania. Warto zauważyć, że zmniejszenie odległości wtryskiwacza od tłoka (późny wtrysk paliwa), powoduje bardzo znaczną redukcję ilości wtryśniętego paliwa nad tłok z około 60% do odpowiednio dla pozycji 2 około 35% oraz dla pozycji 3 około 5%.
W środkowym fragmencie komory spalania (obszar B) różnice położenia tłoka w znacznie mniejszym stopniu wpływają na ilości zatrzymanego tam paliwa. Najmniejsze udziały obszarów objętych paliwem zaobserwowano dla najniższego położenia wtryskiwacza względem tłoka (pozycja 1), po czasie t = 1,0 ms udział ten kształtował się na poziomie 15-25%. Podczas wtrysku paliwa, w momencie gdy tłok znajdował się w 2 lub 3 położeniu obszary objęte strugą paliwa są zbliżone do siebie, praktycznie w całym zakresie prowadzonej obserwacji. Różnice wielkości tych obszarów są niewielkie i wynoszą około 15%.
Trzeci fragment komory spalania, który obejmował wnętrze muldy w tłoku (obszar C) jest w największym stopniu wypełniony paliwem podczas najwyższego usytuowania tłoka (pozycja 3). Maksymalne obszary objęte strugą paliwa przypadające na tę część komory spalania w czasie od 1,0 do 1,5 ms obejmują około 60%. Środkowe oraz najniższe położenie tłoka (pozycja 2 i 1) powoduje, że udział obszarów paliwa w trzeciej strefie wynosi maksymalnie około 40% (z niewielkim opóźnieniem czasowym).
Ze względu na fakt, że pierwsze usytuowanie powoduje gwałtowne rozbicie strugi paliwa o krawędź tłoka, położenie to w dalszej części pracy poddano bardziej szczegółowej analizie. Określono rozkład procentowego udziału przestrzeni objętej strugą w poszczególnych obszarach komory spalania (obszar A, B i C) w zależności od ciśnienia wtrysku paliwa oraz przeciwciśnienia powietrza dla pozycji 1 tłoka (rys. 5.7-5.9).
Rys. 5.7. Względny udział obszarów objętych strugą paliwa w 1 pozycji tłoka dla ciśnienia wtrysku paliwa 75 i 100 MPa i przeciwciśnienia powietrza 2,5 MPa [34, 35]
0%
0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24
Udział [%]
0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24
Udział [%]
74 Rys. 5.8. Względny udział obszarów objętych strugą paliwa w 1 pozycji tłoka dla ciśnienia wtrysku paliwa
75 i 100 MPa i przeciwciśnienia powietrza 3,0 MPa [34, 35]
Rys. 5.9. Względny udział obszarów objętych strugą paliwa w 1 pozycji tłoka dla ciśnienia wtrysku paliwa 75 i 100 MPa i przeciwciśnienia powietrza 3,4 MPa [34, 35]
Porównanie otrzymanych wyników wskazuje, że przeciwciśnienie powietrza oraz ciśnienie wtryskiwanego paliwa wpływają jedynie na czasowe opóźnienie w odniesieniu do obszarów objętych strugą. Należy również zauważyć, że w każdym przypadku udział pierwszego obszaru jest znaczny i wynosi około 60% całej strugi, niezależnie od panujących w komorze spalania warunków (dla czasu z przedziału t = 0,3-0,4 ms). Udział obszaru drugiego jest najmniejszy i wynosi około 15%, nie licząc początkowego czasu, gdy udział ten zwiększał się do 40%, przy jednoczesnym braku strugi w trzecim obszarze. Udział trzeciego obszaru, który na początku wtrysku był równy zeru utrzymuje się na poziomie około 30%.
Przykładowe zestawienie wielkości analizowanych obszarów dla różnych położeń tłoka przedstawiono na (rys. 5.10).
Porównanie to pokazuje, że przy zmiennym usytuowaniu tłoka względem wtryskiwacza wielkość obszarów objętych wtryśniętym paliwem znacząco ulega zmianie. Późniejsze rozpoczęciu wtrysku symulowane mniejszą odległością wtryskiwacza od muldy w tłoku powoduje, że względna ilość paliwa zatrzymana w drugim i trzecim obszarze komory spalania zwiększa się znacząco. Udział pierwszej strefy w miarę rozwoju wtrysku zmienia się od 60% (największa odległość wtryskiwacza od tłoka) do 30%. Udział drugiej strefy obszaru zwiększa się od około 15% do 30%. Udział trzeciego obszaru (muldy w tłoku) zwiększa się od 30% do około 60%. Oznacza to, że czas przebywania strugi w poszczególnych obszarach również ulega zmianie, co prowadzi do zmiany intensywności odparowania paliwa.
0%
0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24
Udział [%]
0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24
Udział [%]
0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24
Udział [%]
0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24
Udział [%]
75
Rys. 5.10. Obszary strugi paliwa przy Ppow = 3,0 MPa oraz Pwtr = 100 MPa dla różnych położeń tłoka [35]
Dodatkowo analizie poddano również wtrysk paliwa na zimne ścianki komory spalania.
Ich niska temperatura powoduje, że późny wtrysk paliwa wywołuje intensywniejsze powstawanie filmu paliwowego, a w efekcie zwiększenie grubości filmu zgromadzonego w
0%
0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24
Udział [%]
0,04 0,44 0,84 1,24 1,64 2,04 2,44 2,84 3,24
Udział [%]
76 muldzie tłoka. Zminimalizowanie tej niekorzystnej tendencji można uzyskać przez wymuszone zawirowanie powietrza w silniku.
Kolejnym etapem prowadzonej analizy było oszacowanie grubości naściennej strugi paliwa tworzącej film paliwowy na ściankach komory spalania. Przeprowadzono ją w następujący sposób: zarys korony tłoka przedłużono wzdłuż linii prostej. Część strugi paliwa znajdująca się nad linią w obszarze A (rys. 5.11 a i b), w obrębie średnicy otworu muldy została cyfrowo usunięta. Następnie pozostały fragment strugi nad tłokiem, został obrócony o 90° (rys. 5.11 c i d). Wielkość obszaru objętego paliwem określoną liczbą pikseli, analizowano w dwóch kierunkach tj. osiowym i promieniowym.
a) Obraz z naniesionym
zarysem tłoka b) Wycięcie części obrazu
bez kontaktu z tłokiem c) Odwrócenie zarysu
denka tłoka o kąt 90° d) Wycięcie początkowej części denka tłoka 5.11. Sposób uzyskania liniowej szerokości strugi paliwa [35]
Na podstawie tak określonej procedury wyznaczono przebiegi odpowiadające określonym wartościom ciśnienia wtrysku (Pwtr) oraz przeciwciśnienia powietrza (Ppow).
Każdy z wykresów przedstawionych poniżej (rys. 5.12) zawiera trzy krzywe określające liczbę pikseli zarejestrowanych w kierunku promieniowym cylindra (oś pozioma) oraz wzdłuż bocznej ścianki komory spalania (oś pionowa). Każda z naniesionych na wykresie linii określa położenie wtryskiwacza względem tłoka. Linia czerwona określa położenie górne wtryskiwacza względem tłoka (rys. 5.3, pozycja 1), linia zielona odpowiada położeniu środkowemu wtryskiwacz względem tłoka (rys 5.3, pozycja 2), natomiast linia niebieska określa najniższe położenie wtryskiwacza względem tłoka (rys. 5.3, pozycja 3).
Najniższe położenie tłoka (pozycja 1) powoduje, że znaczna ilość paliwa obejmuje obszar nad tłokiem w stosunku do pozostałych położeń wtryskiwacza (rys. 5.12). Liniowa wartość zasięgu strugi nad denkiem tłoka w tym przypadku wynosi około 40 pikseli. Cechą charakterystyczną jest to, że przy takim położeniu wtryskiwacza wielkość liniowego zasięgu w środkowej części komory spalania osiąga ponad trzykrotnie większą wartość i wynosi około 120 pikseli. Warto również zauważyć, że niezależnie od ciśnienia paliwa oraz przeciwciśnienia powietrza wartość ta nie ulega istotnej zmianie.
Położenie tłoka powodujące, że struga rozbija się o środkową część zarysu komory spalania (pozycja 2) powoduje, że ilość paliwa docierająca nad tłok zmniejsza się, natomiast ilość paliwa pozostająca w części środkowej znacząco się zwiększa (linia zielona na rys.
5.12). W tym przypadku charakterystyczne jest również to, że niezależnie od panujących warunków w cylindrze (Pwtr, Ppow), wartość maksymalnego liniowego zasięgu strugi (odbitej lub docierającej do środkowej części komory spalania) wynosi ponad 150 pikseli.
77 Najwyższe położenie tłoka tj. położenie odpowiadające najmniejszej odległości od muldy w tłoku, (pozycja 3) powoduje, że maksymalna wartość liniowego zasięgu w środkowym obszarze komory spalania nie zmienia się i wynosi około 150 pikseli. Należy jednak zauważyć, że liniowy zasięg strugi nad tłokiem ulega znacznym zmianom (jest on najmniejszy przy najniższym położeniu tłoka). Oznacza to, że struga paliwa, która dociera do płaskiej lub wklęsłej powierzchni komory spalania w tłoku nie wywołuje znaczących zmian.
Można zatem wnioskować, że dawka paliwa wtryśnięta w pobliżu GMP tłoka nie będzie znacząco zmieniała ilości paliwa docierającej do bocznej (płaskiej i wklęsłej) powierzchni komory spalania.
Rys. 5.12. Ocena grubości strugi docierającej do komory spalania w tłoku [34, 114]
Obrazy rozpylenia paliwa przy zmiennych parametrach wtryskiwanego paliwa i zmiennych parametrach otoczenia przedstawiono na (rys. 5.13). Widoczny jest znacznie większy wpływ położenia wtryskiwacza na jakość rozpylenia strugi paliwa, niż panujące w komorze przeciwciśnienie. Znacznie większa intensywność barw dla rejestrowanej strugi paliwa dla pierwszego i drugiego położenia tłoka względem wtryskiwacza, wynika ze sposobu oświetlenia komory. Światło żarówek dociera przede wszystkim do części nad tłokiem. Położenie trzecie wymagało zmiany położenia tłoka względem wtryskiwacza (przesunięcia do góry), co skutkowało zmniejszeniem ilości światła docierającego do filmowanego obszaru komory w tłoku. Z tego względu na zdjęciach dotyczących trzeciego położenia tłoka nastąpiło zmniejszenie jasności światła odbijanego od strugi.
78
Pwtr 75 MPa 100 MPa
Ppow 2,5 MPa 3,0 MPa 3,4 MPa 2,5 MPa 3,0 MPa 3,4 MPa
Pozycja 1Pozycja 2Pozycja 3
Rys. 5.13. Obrazy rozkładu wtryśniętego paliwa w zależności od warunków wtrysku i usytuowania wtryskiwacza
Wysokość położenia wtryskiwacza podczas wtrysku ma istotny wpływ na parametry pracy silnika. Można zatem stwierdzić, że zwiększone ciśnienie wtrysku paliwa równe 100 MPa, w porównaniu do ciśnienia niższego równego 75 MPa, charakteryzuje się większą prędkością strugi paliwa. W pozycji 2 i 3 większość paliwa zostaje rozpylona wewnątrz komory spalania w tłoku, obejmując prawidłowym rozpyleniem ścianki komory spalania oraz muldę. Następuje więc prawidłowe wymieszanie paliwa z powietrzem, zmniejsza się przy tym nagromadzenie dawki paliwa w rdzeniu strugi lub na ściance komory spalania w porównaniu do pozycji 1. Pierwsze położenie wtryskiwacza względem tłoka powoduje, że wtryskiwana struga paliwa trafia na ściankę pod takim kątem, że znaczna jego część po odbiciu od powierzchni ścianki wydostaje się poza komorę spalania tłoka badawczego.
Następuje koncentracja paliwa w rdzeniu, co w następstwie może być przyczyną zwiększenia emisji cząstek stałych. Wykonane badania miały na celu zgromadzenie wstępnych informacji dotyczących ukierunkowania strugi paliwa, a także ocenę jej parametrów geometrycznych podczas wtrysku z uwzględnieniem różnego „rozbicia” strugi paliwa. W celu uzyskania dokładniejszych informacji dotyczących rozkładu stężenia wtryskiwanego paliwa w komorze spalania, przeprowadzono w dalszej części pracy dodatkowo badania symulacyjne.
Otrzymane wyniki badań symulacyjnych, a także badań modelowych interakcji strugi paliwa na ściankę tłoka zostaną następnie zweryfikowane w badaniach na jednocylindrowym silniku badawczym z jednoczesnym pomiarem emisji związków toksycznych.
79