Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - The theory of the turbulisation...

Maritime University of Szczecin

Akademia Morska w Szczecinie

2011, 27(99) z. 1 pp. 66–72 2011, 27(99) z. 1 s. 66–72

Теория процесса турбулизации топлива в распылителе

дизельной форсунки

1

Teoria procesu turbulizacji paliwa w rozpylaczu wtryskiwacza

silnika z zapłonem samoczynnym

The theory of the turbulisation process in the fuel spray

injector of compression ignition engine

Оleh Klyus

2

_{, Igor Klyus}

3

2 _{Maritime University of Szczecin} Akademia Morska w Szczecinie

70-500 Szczecin, ul. Wały Chrobrego 1–2, e-mail: olegklus@o2.pl

3 _{студент Западнопоморского Технологического Университета в Щецине} Ключевые слова: дизель, топливная форсунка, предварительная обработка топлива, турбулизация топлива Резюме В статье представлена математическая модель процесса турбулизации топлива во время его прохождения в кольцевом зазоре распылителя дизельной форсунки. В качестве турбулизатора предложено испольование двух и более взаимно пересекающихся каналов, выполненных на поверхности иглы распылителя и представляющих собой левую и правую винтовые поверхности. Основное внимание уделено на использование параметра акустического сопротивления в математи-ческом описании физических процессов, что делает возможным верификацию предложенной модели в лабораторных исследованиях топливной аппаратуры и стендовых испытаниях дизелей.

Słowa kluczowe: silnik z zapłonem samoczynnym, wstępna obróbka paliwa, turbulizacja paliwa Abstrakt

W artykule przedstawiono model matematyczny procesów turbulizacji przepływu paliwa w rurowych kana-łach wtryskiwaczy paliwowych silników z zapłonem samoczynnym. Jako turbulizator zaproponowano wyko-rzystanie dwóch i więcej krzyżujących się kanałów wykonanych na powierzchni iglicy w postaci lewego i prawego gwintu. Podstawową uwagę zwrócono na wykorzystanie parametru oporów akustycznych w ma-tematycznym opisie zjawisk fizycznych, co umożliwia weryfikację zaproponowanego modelu w badaniach laboratoryjnych aparatury paliwowej, jak i w badaniach hamownianych silników z zapłonem samoczynnym. Key words: compression ignition engine, fuel pretreatment, fuel turbulisation

Abstract

This article presents a mathematical model of the fuel flow turbulisation processes in fuel tubular injectors channels of compression ignition engines. As turbulisator, proposed the use of two or more intersecting channels on the surface of the needle made in the form of left and right threads. The main attention was paid to the use of acoustic resistance parameter in the mathematical description of physical phenomena, which allows verification of the proposed model in laboratory studies of fuel, and retardation research of compression ignition engines.

Введение Основные требования, предъявляемые к со-временным двигателям внутреннего сгорания, связаны с минимализацией уровня эмиссии токсических компонентов в отработавших газах и повышением топливной экономичности. В ди-зельных двигателях одновременное получение положительных результатов в этих вопросах является сложной задачей, поскольку улучше-ние характеристик по расходу топлива, а значит и увеличение к.п.д. двигателя, приводит к уве-личению содержания в отработавших газах таких химических соединений, как оксиды азота. В свою очередь, уменьшение максималь-ных температур цикла, а следовательно и уменьшение концентрации оксидов азота, приводит к увеличению удельных эффективных расходов топлива. Теория процессов смесе-образования и выгорания топлива однозначно определяет связь между этими характеристи-ками в виде времени задержки воспламенения, которое зависит как от физичесикх, так и химических процессов, проходящих в этот период [1]. Уменьшение времени задержки воспламенения возможно за счет влияния на процесс подготовки топлива перед распыли-ванием во время его прохождения в каналах распылителя. При этом возможно осуще-ствление контакта топлива с катализатором, нанесенным на исполнительные поверхности иглы, а так же увеличение турбулизационного характера течения топлива в кольцевом канале между корпусом распылителя и иглой [2, 3]. Целью представляемых исследований является разработка математической модели прохожде-ния топлива в таком канале. Предварительная обработка топлива в распылителе форсунки Одним из основных условий повышения топливной экономичности и уменьшение кон-центрации токсических веществ в отработавших газах дизелей является уменьшение периода задержки воспламенения, а следовательно орга-низация таких физических и химических про-цессов в начальной стадии топливоподачи, которые способствуют уменьшению энергии активации Еа [4]:





                      _      63 , 0 4 , 12 2 , 21 19 , 17 1 1 exp 22 , 0 36 , 0 P T R E c a m  (1) где: cm – средняя скорость поршня, P и T – давление и температура в камере сгорания, R – газовая постоянная. В свою очередь, уменьшение величины Еа возможно за счет интенсификации физических и химических процессов, происходящих при истечении топлива из отверстий распылителя топливной форсунки. Следует отметить, что процесс топливоподачи, или его закон, опреде-ляется не только формой и профилем кулачка топливного насоса высокого давления, гео-метрией кромок плунжера, обратным клапаном и другими исполнительными элементами топливной аппаратуры, но и зависит от динамических процессов во время прохождения топлива в каналах распылителя [5]. При этом под понятием динамических процессов следует понимать волновое распространение и скорость прохождения топлива в подающих отверстиях корпуса распылителя и трубчатого канала в виде пространства между неприцизионной частью иглы и корпусом. Именно эта часть распылителя может быть использована для расположения на ее элементах каталитических материалов для оказания влияния на топливо в качестве интенсификации химических про-цесоов, а в свою очередь интенсификация физических процессов, которая одновременно увеличивает и химическую, может быть достигнута за счет расположения на тех же элементах турбулизаторов. Следует отметить, что турбулизации сопутствует и гомогенизация топливного потока. Выбор именно элементов топливного распылителя, который термически является наиболее нагруженной частью двигателя внутреннего сгорания, не случаен, поскольку увеличение каталитического эффекта достигается при увеличенных температурах. Рассматривая конструкцию топливного рас-пылителя, обращает на себя факт, что игла распылителя, независимо от способа органи-зации рабочего процесса дизаля, состоит из трех частей – двух прецизионных поверхностей в виде направляющей и замыкающей, а также соединяющего эти две части элемента, роль которого сводится только к соединению двух первых. Именно эта, третья часть иглы (которую можно назвать неработающей поверхностью) и выполняет роль поерхности с нанесенным катализатором и элементами – каналами системы тербулизации. Математическая модель турбулизатора Идея получения системы турбулизации топлива основывается на размещении двух

и более канавок в виде пересекающихся кривых левого и правого винтового направления на неработающей части иглы топливного распыли-теля (рис. 1). Следует отметить, что топливо, протекающее этими каналами имеет несим-метричное распределение скорости в сечении 2. В расчетах можно принять одинаковые величины давления перед каждым распылива-ющим отверстием, формирураспылива-ющим факл распы-ливаемого топлива. Расчет дифференциальных уравнений гиперболического типа в форме Даламбера по всей длине труборовода высокого давления, однозначно показывает на существо-вание нестационарных прямых и отраженных волн давления, а так же зависимость скорости в переменных сечениях от количества прохо-дящего топлива (цикловой подачи) dQ/dτ и акустических сопротивлений z = wi ρ [1, 4]. Объем топлива Vυ, необходимый для подъема иглы распылителя, выполняет роль демфера волновых процессов как осцилятор между натянутой пружиной с одной, а сжатым объемом Vrr с другой стороны, при этом во время τ2 впрыскивания топлива выполняется условие z = var. Это приводит к естественному успокаиванию характеристики впрыскивания и может быть описана уравнением Бернулли, несмотря на то, что частота собственных колебаний свободного и сжатого объема топли-ва различны и способствуют возникновению различной по длине волны  топливной струи за отверстиями распылителя. Схема турбулизатора, одновременно высту-пающего и как гомогенизатор, для получения в топливе высокочастотных объемно-напряжен-ных возмущений представлена на рис. 1. Она представляется в виде четырех входных левых и првых потоков на неработающей части иглы распылителя в виде сетки, в результате пере-крещивания которых появляются два объема – входной ССАА (7) и выходной ААВВ (8) в координатах y, в сечениях I, II,….,IX, которые можно представить в виде шахметной доски. Сечения (15) топливных каналов 1, 2, 3, и 4 одинаковы по длине от входа до выхода топлива для которых нулевая функция представляется как f0 (AA) = fIX(AA), а сечения по расходу топлива, в зависимости от давления топлива, с симметричной эпюрой сил по отношению к каналам 1, 2, 3 и 4 равны сумме сечений каналов fki и сечению непрецизионной части иглы до границы возмущений 16. В этом случае, сечение (рис. 1d) может выполнено с любым шагом по оси y и форма поверхности 10 может иметь форму ромба, или другой фигуры (например квадрата) в соответствии со своей осью симметрии. В этом случае неработающая поверхность иглы является рабочей поверхно-стью гомогенизатора с переменными акустичес-кими сопротивлениями в контрольных объемах 7 и 8, которые нивелируют поверхностное напряжение в микрообъемах топлива. Это первая важная особенность гомогенизатора-турбулизатора, а описанные явления можно представить в виде уравнения по каждой из принятых для оси координат параметров, например цилиндрических r, υ, y, (j = r,υ,y):                                                       i j j i j j i f w f z F ( ) ( ) ( d ) d(grad 2 2 2 2 (2) где: i F – сумма всех сил на элементарную поверхность микрообъема, σ – поверхностные напряжения на эле-ментарной поверхности, z – акустическое сопротивление, fi τ – время-сечение топливной струи, w, ρ – скорость и плотность топлива. Второй функцией гомогенизатора-турбули-затора является возникновение пульсационных напряжений от потоков в выходных объемах AABB (рис. 1b, c, d). Несимметричность эпюры сил сжатия объясняется тем, что формирование обратной волны давления Wt в координатах канала 3 (рис. 1b) при hu > 0 происходит в про-тивоположном направлении к прямой волне S(t–τ), снижай тем самым давление сжатия в координатах канала 2–4, W(t+Δτ) уменьшает свое значение по величиене и направлению в сторону истечения топлива, в то же время в координатах канала 1 первая прямая волна давления может быть описана уравнением [1, 4]: Первая прямая врлна давления (для Vυ)  





_

_

    _{ } 

_{ }



  t c k L t _{P P W} t t S    d d e d d (3) где





         _{ }        _     _{  }       _   z W f z P f t Q t n f z P f t n f t n f V t P t L T k r n n n oc v k k n n k k      e 2 d d d d d d 1 d d d d 1 d d (4) Wt – волна давления,

Рис. 1. Расчетная схема импульсных возмущений в топливном распылителе [1]; 1 – прецизионная часть иглы, 2 – топливоподводящий канал, 3 – объем распылителя, 4 – объем в непрцизионной (нерабочей) части распылителя, 5 – гомогенизатор-турбулизатор, 6 – развернутая поверхность турбулизатора, 7 – объем входящих потоков, 8 – объем выходящих потоков, 9 – каналы потоков, 10 – ограничивающие поверхности потоков, 11 – объем распылителя, 12 – распыливающие отверстия, 13 – сечение турбулизатора, 14 – входные каналы, 15 – сечение каналов, 16 – граница возмущений по δ от каналов 1, 2, 3, 4, c – амплитудо-частотные характеристики, I – эпюра осевых скоростей на выходе в сечении 0–0; 3, 4, 9 амплитудно-частотный спектр волн давления в поясах I, II,…..IX, 2 – изменение деформации касательных напряжений τzz в координате y, в поясах I – IX

                      t t k L L t z P z P W T ) ( – волна скорости (5)





                _                                          2 2 ) 2 ( 0 2 d d d d d d 2 4 π 1 d d t k k t k k u u t p k oc p p k k r k k p rr oc t n f t n f t n f z z P P f z P f n d V V V t P (6) где: τ – запаздывание, α – коэффициент затухания, L – длина топливного канала. На основании уравнений (2) – (6) можно сделать вывод о том, что турбулизатор-гомоге-низатор представляется в виде каскада перемен-ных акустических сопротивлений для потока сжатого топлива (в элементарных потоках), которые изменяют скорость по модулю и на-правлению, то есть и давления от Poc до P'υ и далее Pp  Pυ. Физические процессы в топливном распылителе Перед началом процесса топливоподачи объемы Vυ и Vp связаны между собой элемен-тарными потоками 14 с сечением fr, которые в сумме равны сечению трубопровода высокого давления 2 (рис. 1a, 1b), при этом Vυ > Vp, a Σμfr > μfPe. Импульс давления S(t) от Vυ до Vp изменяется в контрольных объемах 7, 8 в поясах от 0 до IX n раз во время периода впрыскивания топлива τ2. Вектор всорости первой волны давления, ограниченной стенками каналами, отражается от них скачкообразно, в результате чего происходит первый скачек давления, направленный на противоположную стенку канала с длиной образующей объем от Vυ до Vp. Зто является первой особенностью рабочего процесса топливоподачи. Вторым важным пунктом является то, что в каждой точке пересечения линий тока в мини-мальных сечениях АА обэемов 7, 8 (рис. 1b) может быть использовано уравнение Бернулли по оси z, когда w₀w₀ (рис. 2), что в принципе невозможно с учетом различных эпюр давления на входе в пояс 0. То есть прекция R

 

w₀ всегда направлена в сторону стенки от линии потока под углом γ = var в каждом поясе каждые 2π по оси y. Третьим важным аспектом есть то, что зазоры в поясах между наружной поверхностью гомогенизатора, а внутренней поверхностью корпуса распылителя представляются в виде лабиринта по всем координатам, а значит и по отношению к υ и r и поочередно к τ, y, υ, r, что приводит к возникновению касательных напряжений τ и увеличения числа возмущений (кривые 3', 9' рис. 1c). Снижение давления в поясах от 0 до IX (в данном случае до давления Pp) приводит к замыканию лабиринта с точки зрения расхода, то есть поток топлива в каналах 1 – 4 соответствует законам гидро-динамики для сжатого элементарного потока, а эпюра касательных напряжений может сохра-ниться на одном уровне (кривая 2 рис. 1c). Частота возмущений fs возрастает в зависимости от количества контрольных объемов. При n < nmax параметры микрообъема можно представить в виде:





V t V t s t V V _Vt i Vt d d d d 2 2





                          (7) t V V f t V V P w Vt i Vt d d d d ) ( 3 2 2 2





                                              (8) где: σ – поверхность напряжений, w' – скорость в сечении fi, ν – кинематическая вязкость, i  – ширина (y), fi – сечение струи. В уравнениях (7) и (8) неизвестными явля-ются переменные величины поверхностного на-тяжения сжатых закрытых объемов и плотность топлива в сечениях, через которые топливо подается в камеру сгорания. Однако так, как это было представлено в [4], параметры топливопо-дачи можно представить как – давление топли-воподачи  30 MПa, время подачи 2 < 10–3 с, скорость изменения давления в сечении распы-ливающих отверстий dP/d2 > 310 MПa/с при цикловых подачах порядка qcykl  8510–9м3, ско-рость пульсации 4–6 м/с с частотой возмущений несколько сот рад/с, в то же время изменение состояния напряжений в закрытом объеме зави-сит от импульсов давления в соответствующих сечениях и их акустических сопротивлений:









) ( grad d d d ) ( 2 2 2 2 2 2 2             F V t j f dV t n i                                 

 







  (9) Подводя итоги рассматриваемой задачи мож-но сделать вывод о том, что одним из наиболее реальных параметров, представляющих все происходящие в топливном распылителе (имею-щим систему гомогенизирующих-турбулизиру-ющих каналов) процессы, является параметр акустического сопротивления, который можно зарегистрировать во время проведения как лябораторных испытаний на стенде топливной аппаратуры, так и на работающем двигателе. Рис. 2. Расчетная схема физических процессов; 1 – левый входящий поток, 2 – правый входящий поток, 3 – косое сечение левого потока, 4 – косое сечение правого потока, 5 – критическая точка w на границе входа потока в косом сечении, 6 – 0 критическая точка 



w₀w₀



на границе выхода потока косого сечения, 7 – входной контрольный объем левого и правого потока, 8 – контрольный объем выходящих потоков, 9 – границы возмущений на выходе их контрольного оьбъема, 10 – граница начала возмущений в начале расширения, 11 – непрецизионная поверхность корпуса распылителя, 12 – наружная поверхность турбулизатора-гомогенизатора, 13 – внутренняя поверхность турбулизатора, 14 – угол возникновения волн высокого давления, 15 – граница снижения давления, 16 – граница взаимодействия входящих потоков, 17 – углы A', B', C' – углы возмущений перкрещивающихся потоков на входе и выходе в среднем сечении контрольных объемов, 18 – эпюра скорости w , 19 – эпюра скорости 0 w  , 20 – изменение скорости в результате накладывающихся (пересекающихся) 0 возмущений, 21 – изменение время-сечения акустических сопротивлений в потоке в контрольном объеме, 22 – изменение акустического сопротивления потоков в контрольных объемах

Rys. 2. Schemat obliczeniowy procesów fizycznych a

b

Выводы Повышение топливной экономичности, при одновременном снижении уровня эмиссии токсических веществ в отработавших газах (в первую очередь оксидов азота) дизелей возможно при использовании, так называемой предварительной обработки топлива, осущест-вляемой в распылителях дизельных форсунок непосредственно перед его подачей в камеру сгорания и заключающейся в использовании катализаторов, нанесенных на исполнительные элементы распылителей. Увеличению каталити-ческого эффекта способствуют повышенные температуры распылителя и турбулизационные процессы, осуществляемые в корпусе и игле распылителя. Представленная в статье матема-тическая модель турбулизационных процессов во время предварительной обработки топлива описывает физические основы процесса турбу-лизации-гомогенизации топлива, а также мате-матическое описание физических процессов. Достоинством модели является минимализация использования эмпирических, трудных в опре-делении коэффициентов молекулярной и турбу-лентной диффузии, в то же время акцентиро-вание на акустический эффект, возникающий при прохождении топлива в каналах системы турбулизации, может быть определен экспери-ментально с целью верификации предложенной теории. Литература

1. KLYUS O.: Zmniejszenie zużycia paliwa i obniżenie

toksy-czności spalin silników rybackich jednostek pływających. Silniki Spalinowe, Nr 3/2011(146).

2. KLYUS O.: Wtryskiwacz paliwa. Patent P-204690.

3. KLYUS O.: Wtryskiwacz paliwa. Patent P-205429. 4. БАРСУКОВ С.И.: Приводы. Теория и расчет. Изд.

Астро-принт, Одесса 2004.

5. КЛЮС О.В.: Внутрициоиндровый катализ в дизелях.

Изд. КГТУ, Калининград 2009.

Recenzent: prof. dr hab. inż. Janusz Mysłowski Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie