Распыливание топлива в дизелях и факторы, его определяющие

В судовых дизелях подача топлива в камеру сгорания осуществляется в мелкораспыленном (туманообразном) виде. Другой вид распыливания недопустим. Распад струи на мелкие капли начинается сразу же за сопловыми отверстиями. Струя приобретает форму так называемого «факела».

На характер распада струи оказывают влияние следующие основные факторы:

  • Внешние силы аэродинамического сопротивления;
  • Силы поверхностного натяжения и сцепления топлива;
  • Внутренние силы, возникающие при истечении.

Внешние аэродинамические силы зависят от относительной скорости движения топлива и воздуха, а также от плотности воздуха. Эти силы воздействуют как на лобовую часть струи, так и на боковую поверхность факела.

Силы поверхностного натяжения и сцепления стремятся сохранить первоначальную форму струи.

Внутренние силы определяются сжимаемостью топлива под воздействием высокого давления, а также влиянием турбулентности при истечении через сопловые отверстия, шероховатостью стенок отверстий и формой выходных кромок, наличием пузырьков газа в топливе. Внутренние силы главным образом и определяют характер распыливания.

При взаимодействии внешних и внутренних сил появляется так называемая радиальная составляющая внутренних сил, определяемая неравномерным полем скоростей по сечению струи. В центре струи скорость максимальная, к периферии она уменьшается из-за большого аэродинамического сопротивления. Вследствие этого возникает радиальное движение топлива от центра факела к наружной поверхности, и на выходе из сопла струя расширяется под некоторым углом φ (см. рис. ниже).

Скорость и направление движения капель топлива в факеле различны. В центре (ядре факела) находится компактная масса грубо распыленных частиц с большой энергией и скоростью. От центра к периферии — более мелкие капли с постепенно уменьшающейся к периферии скоростью. Внешняя поверхность — оболочка — состоит из наиболее мелких капель с минимальной скоростью.

Рис. 1 Схема распределения топлива в факеле

В процессе распиливания ядро факела непрерывно пополняется новыми каплями с большой кинетической энергией, а частицы, впрыснутые ранее, отбрасываются к периферии. Глубина проникновения факела по объему камеры сгорания — так называемая «дальнобойность» факела L — ограничена тем, что энергия факела расходуется на преодоление сопротивления среды.

Угол конуса связан с дальнобойностью. Оба эти фактора определяют форму факела и соответственно форму камеры сгорания в двигателях с объемным способом смесеобразования.

Дальнобойность факела определяется экспериментальным путем. Расчетное определение дальнобойности может быть выполнено по формуле ЦНИДИ:

L = t Vodctqφ0.5·μρmρb0.25

  • τ — время впрыска, сек;
  • V0 — средняя начальная скорость истечения, м/сек;
  • φ — угол распыливания;
  • ρm, ρв — плотности топлива и воздуха;
  • μ — коэффициент истечения;
  • dc — диаметр сопловых отверстий.

Как видно из формулы, дальнобойность увеличивается с увеличением времени впрыска, скорости истечения топлива, диаметра сопловых отверстий и плотности топлива. Повышение плотности воздуха и ухудшение технологии обработки распылителя (что влияет на коэффициент истечения) действует в сторону уменьшения дальнобойности.

Скорость истечения зависит от давления впрыскиваемого топлива Pвпр. Давление впрыска увеличивается с увеличением скорости движения плунжера топливного насоса (при повышении частоты вращения коленчатого вала). С увеличением проходных сечений сопловых отверстий Pвпр уменьшается.

Увеличение диаметра сопел dc при прочих равных условиях приводит к увеличению диаметра капель, уплотнению ядра факела и к уменьшению лобового сопротивления при движении факела, что и увеличивает L.

При повышении плотности топлива, как правило, повышается вязкость. Распыливание становится более грубым. Более тяжелые капли, имеющие больший запас кинетической энергии, летят дальше, что также увеличивает дальнобойность.

Увеличение дальнобойности факела может привести к его ударению в стенки цилиндропоршневой группы и к их перегреву, что недопустимо при объемном способе смесеобразования. По этой причине в свое время некоторые фирмы рекомендовали при переводе двигателей на тяжелое топливо устанавливать распылители с меньшим диаметром сопловых отверстий. Современные двигатели предусматривают работу, как на легком, так и на тяжелом топливе без смены распылителей (при работе на легком топливе увеличивается запас по длине факела). Однако при разработке сопловых отверстий распылителя в процессе эксплуатации больше, чем на 10%, рекомендуется менять распылитель.

Качество распыливания топлива, подаваемого в цилиндр, оценивается 2-мя показателями: тонкостью и однородностью распыливания. Тонкость распыливания характеризуется величиной диаметра большей части капель. Однородность распыливания характеризуется относительным количеством капель определенного диаметра по отношению к их общему количеству. Оба эти показатели находят свое отображение в «характеристике распыливания».

На рисунке дан примерный вид характеристики распыливания при:

  1. Тонком однородном;
  2. Среднем неоднородном;
  3. Грубом однородном распыливании.

Характеристика распыливания оказывает значительное влияние на протекание индикаторного процесса.

Рис. 2 Примерный вид характеристик распыливания

Качество распыливания улучшается при увеличении давления впрыска, уменьшении диаметра сопловых отверстий dc, уменьшении вязкости топлива. Последнее требует подогрева высоковязкого топлива для обеспечения вязкости 2 — 2,5° ВУ.

Аналитические методы расчета качества распыливания не обеспечивают достаточной инженерной точности. При специальных экспериментальных исследованиях тонкость и однородность распыливания оцениваются путем улавливания капель топлива на закопченную пластинку. В дальнейшем с этой пластинки изготавливается микрофотография, замеряются диаметры капель, и подсчитывается их количество. Более точен экспериментальный метод с помощью парафина, нагретого до состояния, обеспечивающего ту же вязкость, что и у топлива. При впрыске парафина в воздух капли охлаждаются, улавливаются в спирт, затем просеиваются через сито, подсчитывается их количество при разном диаметре. При доводке и эксплуатации дизеля качество распыливания оценивается косвенно — по степени дымности двигателя, его экономичности, температуре поршня и его внешнему виду. При опрессовке форсунки качество распыла может быть оценено визуально.

Требования к тонкости и однородности распыливания в значительной степени определяются способом смесеобразования. Очевидно, что при объемном способе эти требования выше, чем при пленочном.

Смотрите также:

а) Характеристика объемного смесеобразования

б) Характеристика объемно-плёночного смесеобразования

в) Характеристика плёночного смесеобразования

д) Испарение топлива в камере сгорания

Март, 01, 2015 379 0
Читайте также