Zjawiska cieplne zachodzące w korpusie wtryskiwacza czopikowego

Termiczno – katalityczna obróbka paliwa we wtryskiwaczach silników z ZS warunkuje wybór materiału o działaniu katalitycznym. W tym celu należy określić temperaturę roboczą elementów rozpylaczy, na które będzie naniesiony katalizator.

Do obliczenia zjawisk cieplnych zachodzących we wtryskiwaczu paliwowym należy opracować model fizyczny, opisujący zjawiska zachodzące we wtryskiwaczu, a następnie matematyczny, określający te zjawiska [57].

Model fizyczny odpowiada rzeczywistemu układowi pod względem istotnych cech.

Model taki powstaje w wyniku przeprowadzenia uproszczeń dla umożliwienia analizy układu rzeczywistego [66]. Modelowanie na tym etapie jest bardzo ważne, ponieważ poprawne przyjęcie założeń decyduje o zgodności otrzymanych obliczeń z wynikami pomiarów. Zbyt uproszczony model nie odzwierciedla układu rzeczywistego, natomiast zbyt złożony powoduje trudności w późniejszych etapach modelowania [96].

Główne założenia upraszczające polegają na [88]:

 uproszczeniu kształtu geometrycznego układu rzeczywistego,

 założeniu jednorodności materiału poszczególnych elementów układu,

 przyjęciu pewnych elementów jako idealnie sztywnych, nieważkich liniowych charakterystykach właściwości fizycznych,

 przyjęciu, że wielkości parametrów fizycznych są niezmienne w czasie,

 pominięciu mało istotnych oddziaływań wewnętrznych między poszczególnymi elementami rozpatrywanego układu,

 inne założenia w zależności od konkretnego przypadku.

Modelowanie dyskretne (dyskredytacja) polega na zastąpieniu elementów modelu fizycznego o parametrach ciągłych, elementami, których parametry mają charakter skupiony.

Równania różniczkowe opisujące ruch modeli dyskretnych są równaniami prostymi do rozwiązania metodami komputerowymi.

Modelem matematycznym nazywamy równania opisujące model dyskretny. Równania uzależniają sygnał wyjściowy (odpowiedź układu) od sygnału wejściowego (wymuszenia działającego na układ). Dla układów liniowych są to równania liniowe.

Program komputerowy jest zestawem wzorów i algorytmów służących do obliczeń.

Danymi do programu są parametry określające właściwości geometryczne i fizyczne modelu dyskretnego oraz działające na niego obciążenia. Systemy obliczeniowe oparte na metodzie elementów skończonych powinny mieć kilka zasadniczych cech:

 wszechstronność przy rozwiązywaniu różnorodnych problemów,

 ekonomiczność gospodarowaniu pamięcią,

 możliwość rozwoju i przystosowania do nowych zagadnień,

 zdolność do adaptacji do różnych komputerów.

Eksploatacja zweryfikowanego programu jest udogodnieniem, ponieważ dzięki niej istnieje możliwość pominięcia pewnych etapów modelowania. Zautomatyzowanie wielu czynności badania właściwości dynamicznych ogranicza czynności użytkowania do przygotowania danych na podstawie instrukcji programu.

Po otrzymaniu wyników rezultaty są porównywane z wzorcowymi, otrzymanymi w badaniach i pomiarach lub innymi metodami obliczeniowymi. Niezgodność wyników powoduje konieczność weryfikacji poszczególnych modeli i poprawy błędów w przygotowaniu danych. W odniesieniu do wtryskiwaczy paliwowych zjawiska fizyczne można przedstawić w następujący sposób.

Podczas procesu roboczego gorące spaliny podgrzewają końcówkę wtryskiwacza umiejscowioną bezpośrednio w komorze spalania [23]. Ciecz chłodząca opływa kanały w korpusie rozpylacza, odbiera część ciepła, po czym zostaje wtryśnięta do komory spalania.

W wyniku cyklicznej pracy układu wtryskowego paliwo przez pewien czas przemieszcza się w kanale z określoną prędkością. Proces podgrzewania paliwa dzieli się na dwie fazy:

 fazę przestoju w kanale,

 fazę przemieszczenia w kanale.

Czas trwania każdej z faz może być różny w zależności od dawki cyklicznej paliwa i prędkości obrotowej wału korbowego. Podczas każdej z faz następuje nagrzewanie paliwa.

Przyrost temperatury zależy głównie od różnicy temperatury ścianki kanału rozpylacza i temperatury początkowej paliwa na wejściu do poszczególnych odcinków kanału, których długość stanowią wysokości walców odpowiadających objętością dawek jednostkowych.

W zależności od obciążenia liczba odcinków potrzebnych do wypełnienia całego kanału o określonej długości jest różna. Proces nagrzewania odbywa się na każdym z odcinków, przy czym temperatura końcowa na pierwszym odcinku kanału jest równa sumie temperatury początkowej paliwa i przyrostom temperatury po fazie przestoju i fazie przemieszczenia.

Temperaturę wejściową na drugim odcinku kanału stanowi temperatura końcowa z odcinka pierwszego. Sytuacja powtarza się cyklicznie do momentu opuszczenia kanału przez przemieszczającą się dawkę paliwa. Temperaturę końcową paliwa na wyjściu z kanału stanowi jej wartość na wyjściu z ostatniego odcinka.

Schemat rozpylacza czopikowego z układem wstępnej obróbki paliwa przedstawiono na rysunku 4.1.

Rysunek 4.1. Schemat zmodyfikowanej końcówki wtryskiwacza czopikowego Źródło: [57]

W celu określenia temperatury paliwa podczas nagrzewania we wtryskiwaczu wykorzystano wzory na wymianę ciepła w czasie przepływu cieczy przez rurę walcową i ustalono wymianę ciepła poprzez przenikanie [71, 100, 105, 110].

Algorytm obliczeniowy składa się z następujących równań.

Czas dwóch pełnych obrotów wału korbowego:

T_w 120n

 [s] (4.1)

Czas wtrysku paliwa:

w  T

720

  [s] (4.2)

Długość odcinka odpowiadająca dawce paliwa o określonej objętości wynosi:

j

l  L[m] (4.3)

Pole powierzchni bocznej słupka cieczy o długości l wypełniającego kanał:

rl

f 2



[m²] (4.4)

Pole przekroju poprzecznego kanału:

r

2

F  

[m²] (4.5)

Objętość słupka paliwa na długości l:

lF

 [m³] (4.6)

Prędkość paliwa w kanale wynosi:



Liczba Prandtla dla paliwa wpływającego do odcinka kanału:





 c

Pr_ści  ^ści (4.9)

Liczba Prandtla dla paliwa wpływającego do odcinka kanału:





c

Pr (4.10)

Współczynnik oddawania ciepła przy przepływie przez kanał:

25

Współczynnik uwzględniający właściwości fizyczne paliwa przy przepływie:

u c

i

i 

   (4.13)

Współczynnik uwzględniający wymianę ciepła między ścianką rozpylacza i paliwem wpływającym do kanału:

Temperatura paliwa po przepływie przez i – ty odcinek kanału:

]

Przyrost temperatury paliwa podczas przestoju na i – tym odcinku kanału:

mc T_i  Qⁱ

 [K] (4.18)

Temperatura końcowa paliwa na wyjściu z i – tego odcinka kanału:

i dyni

ki T T

T   [K] (4.19)

Przyrost temperatury paliwa na całej długości kanału:

p kj

k T T

T  

 [K] (4.20)

W wyniku tak przedstawionego modelu matematycznego, przy rozwiązaniu zestawu równań opisujących zjawisko podgrzewania paliwa w kanale chłodzącym przyjęto następujące założenia:

 kanał chłodzący rozpylacza rozwinięto jako dwa prostoliniowe odcinki uwzględniające warunki obciążenia silnika,

 kanał zapełnia j = 4 – 16 dawek jednostkowych dzieląc go na tyle samo odcinków,

 gęstość paliwa jest stała,

 kąt wtrysku jest stały,

 ciepło właściwe cieczy jest stałe,

 współczynnik przewodzenia ciepła jest stały,

 temperatura paliwa na styku ze ścianką rozpylacza jest równa temperaturze ścianki.

Ilość przeliczeń jest równa ilości odcinków „i” wypełniających kanał.

W celu określenia temperatury korpusu wtryskiwacza wykorzystano metodę elementów skończonych (program NASTRAN) [88, 89]. Przykładowy rozkład temperatur w zależności od temperatury w komorze spalania (stopnia obciążenia) przedstawiono na rysunku 4.2.

Rysunek 4.2. Rozkład temperatur w korpusie wtryskiwacza czopikowego przy wykorzystaniu metody elementów skończonych

Źródło: [88]

Natomiast dla uwzględnienia temperatury iglicy posłużono się danymi eksperymentalnymi z pracy [57] – rysunek 4.3.

Rysunek 4.3. Temperatura iglicy rozpylacza w zależności od odległości h od głowicy:

a) z osłoną cieplną, b) bez osłony Źródło: [57]

Tabela 4.1. Przykładowe wyniki badań analitycznych paliwa (temperatura paliwa na wejściu 40 °C i temperatura komory spalania 570 °C).

i R_e tści t_pi υści υ rści r α β Θ t_dyni Q t_ki Δtki

W tabeli 4.1 oraz na rysunku 4.4 przedstawiono wybrane wyniki badań analitycznych dotyczących określenia zmiany temperatury przepływającego paliwa.

Przyrost temperatury na i-tym odcinku kanału przy temperaturze komory spalania 570 st.C

1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4

Rysunek 4.4. Przyrost temperatury w i – tym odcinku kanału Źródło: opracowanie własne

4.2. Zjawiska cieplne zachodzące w korpusie wtryskiwacza wielootworowego

W dokumencie Poprawa ekologicznych i ekonomicznych parametrów silników z zapłonem samoczynnym przez wstępną obróbkę paliwa (Stron 37-45)