автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование динамики распыленной топливно-воздушной струи дизеля с системой топливоподачи Common Rail

На правах рукописи

005044605

Ульрих Сергей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАСПЫЛЕННОЙ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СТРУИ ДИЗЕЛЯ С СИСТЕМОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ COMMON RAIL

05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2012

Барнаул -2012

005044605

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель: Сеначин Павел Кондратьевич,

Научный кандидат физико-математических наук, доцент

консультант: Чертищев Василий Владимирович

Официальные Новоселов Александр Леонидович,

оппоненты: доктор технических наук, профессор

заведующий кафедрой «Автомобили и тракторы» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, г. Барнаул

Титов Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент

доцент кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания» Новосибирской государственной академии водного транспорта, г. Новосибирск Ведущая ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный

организация университет» (Национальный исследовательский

университет), г. Челябинск

Защита состоится «25» мая 2012 г. в 12:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, АлтГТУ. E-mail: D21200403@mail.ru. тел/факс (3852) 26-05-16

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан «21 » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

А.Е. Свистула

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Несмотря на более чем вековую историю мирового двигателестроения интерес исследователей к проблемам смесеобразования и горения в дизелях - наиболее распространенных двигателях внутреннего сгорания (ДВС) не уменьшается. Современная техника предъявляет все более жесткие требования к мощностным, экологическим и экономическим показателям дизелей, что требует решения проблем улучшения процессов смесеобразования и горения.

Решение таких серьезных задач невозможно без использования современных способов получения экспериментальных данных и средств математического моделирования внутрицшшндровых процессов в дизелях, в том числе с аккумуляторной системой топливоподачи Common Rail (CR).

Поскольку в настоящее время топливно-воздушную струю (TBC) дизеля описывают эмпирическими формулами, то задача состоит в том, чтобы на стадии проектирования и доводки дизеля можно было бы сравнительно просто и достоверно при помощи эмпирических и математических моделей и численного моделирования прогнозировать показатели работы двигателя. Поэтому разработка достаточно простой математической модели TBC дизеля с системой топливоподачи CR, основанной на строгих законах описания процессов движения и смесеобразования TBC, а также проведение экспериментальных исследований TBC в двигателе или модельной бомбе постоянного объема (БПО) с использованием современных оптических методов и скоростной видеосъемки, представляется задачей актуальной.

В работе предпринята попытка исследования параметров TBC (дисперсности, динамики и геометрии TBC) и процессов смесеобразования дизеля с системой топливоподачи CR и создания новых математических моделей TBC.

Работа выполнена при частичной поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2012 годы.

Объект исследования - топливно-воздушная струя дизеля с системой топливоподачи типа CR.

Предмет исследования - процессы смесеобразования в дизеле с системой топливоподачи повышенного давления типа CR.

Цель работы - исследование характеристик топлнвно-воздушной струи дизеля с системой топливоподачи Common Rail для совершенствования рабочего процесса и решения вопросов согласования параметров TBC с геометрией камеры сгорания.

Задачи исследования.

1. Разработка многозоной математической модели и рабочей программы для численного моделирования TBC дизеля как тела переменной массы, с учётом внутризонного и межзонного тепло- и массопереноса.

2. Разработка упрощенной математической модели и рабочей программы для численного моделирования TBC дизеля и проведение расчётов для двигателя с системой топливоподачи типа CR.

3. Разработка эмпирической модели для обработки экспериментальных данных по дальнобойности TBC при впрыске в атмосферу или бомбу постоянного объема (БПО).

4. Разработка оптической методики и исследование динамики распространения фронта TBC дизеля и его геометрии.

5. Разработка оптической методики и исследование распределения капель топлива в TBC дизеля по размерам.

6. Создание экспериментального комплекса для оптической диагностики параметров TBC дизеля с системой топливоподачи типа CR.

7. Разработка некоторых вопросов согласования характеристик TBC дизеля с геометрией камеры сгорания.

Научная новизна (положения, выносимые на защиту).

- Разработаны математические модели, и компьютерные программы для численного моделирования топливно-воздушной струи дизеля, как системы взаимодействующих переменных масс или материальной точки переменной массы.

- Получена эмпирическая математическая модель TBC дизеля, позволяющая прогнозировать ее дальнобойность и динамику переднего фронта.

- Разработаны методики оптической диагностики топливно-воздушной струи дизеля с системой топливоподачи Common Rail с применением высокоскоростной видеосъемки.

- Определены зависимости дисперсности капель топлива, динамических и геометрических параметров TBC от величины противодавления при различных давлениях впрыска топлива.

Практическая ценность работы. Создан экспериментальный комплекс оптической диагностики с помощью скоростной видеосъемки характеристик TBC с системой топливоподачи аккумуляторного типа CR в среду с противодавлением в БПО. Разработаны и реализованы методики оптического исследования распределения капель в TBC по размерам методом малоуглового светорассеяния и оценки параметров их распределения; исследования скорости распространения фронта TBC по времяпролетной методике с использованием скоростной видеосъемки. Разработаны рекомендации согласования параметров TBC дизеля с геометрией камеры сгорания.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется использованием достоверных результатов других авторов и современных достижений в рассматриваемой области, проведением натурных и модельных экспериментальных исследований с использованием надежных методик и апробированных методов численного моделирования.

Метод исследования - комплексный, включающий экспериментальные исследования и численное моделирование.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на конференциях различного уровня: Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики - ЭЭТПЭ-2007» (г. Барнаул, 2007);

«68-ой, 69-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов-и профессорско - преподавательского состава технического университета» (г Барнаул, АлтГТУ им. И. И Ползунова, 2010, 2011); Юбилейной научно-технической конференции «5-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» (г. Москва, МАДИ, 2011); конференции Российской академии транспорта «Новые материалы для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания» (г. Барнаул, 2010), конференции Российской академии транспорта «Повышение экологической безопасности автотракторной техники» (г. Барнаул, 2011).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 13 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 статьи в других периодических изданиях и специализированных сборниках, 4 доклада и 1 тезис доклада на конференциях различного уровня, 1 учебное пособие и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Кроме того, опубликованы 3 методических указания.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содержит 158 страниц, 40 рисунков, 7 таблиц и 87 цитированных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, показаны ее научное и практическое значения, изложены основные положения, выносимые на защиту. 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ДИЗЕЛЕ

В настоящее время возможность успешного решения многих практических задач при проектировании и доводке ДВС в значительной мере определяется наличием надежных методов расчета, построенных на основе математических моделей, позволяющих существенно сократить трудоемкий и дорогостоящий эксперимент, заменив его исследованиями на физических и математических моделях с использованием компьютерной оптимизации.

Методы расчета и оптимизации процессов смесеобразования в дизелях представлены в работах Ю.Б. Свиридова, A.C. Лышевского, И.И. Вибе, Н.Ф. Разлейцева, Г. Ситкей, Р.З. Кавтарадзе и многих других отечественных и зарубежных учёных.

Круг задач, решение которых необходимо учитывать при анализе рабочих процессов в ДВС непрерывно расширяется. Так в последние годы в перспективных конструкциях систем топливоподачи применяется повышение давления впрыска, которое требует проведения согласования параметров TBC с геометрией камеры сгорания дизеля. Развитие эффективных методов расчета динамики TBC представляется актуальной задачей, поскольку:

- существующие математические модели и экспериментальные методы исследования рабочих процессов ДВС с воспламенением от сжатия не являются достаточными. Упрощенное описание физико-химических процессов в дизелях не позволяет решать широкий круг экологических, экономических и

технических задач, связанных с дальнейшим совершенствованием ДВС;

- несмотря на исключительно важное практическое значение процесса смесеобразования, он, как правило, рассматривается в рамках однозонной или двухзонной моделей, не учитывающих существенное различие температуры в различных зонах TBC, влияющей на процессы испарения, поскольку динамика TBC дизеля описывается осреднёнными характеристиками, не учитывающими турбулентные и диффузионные процессы в КС дизеля. 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СТРУИ ДИЗЕЛЯ КАК ТЕЛА ПЕРЕМЕННОЙ МАССЫ

В разделе описана шестизонная математическая модель TBC ири смесеобразовании в ДВС, основные положения расчёта которой следующие:

— TBC представляет собой усеченный конус с углом раскрытия 2ß и вершинным диаметром d0=2r0, при координате z0, состоит из К слоев (Рисунок 1). Каждый слой содержит кольца в количестве / штук (включая осевой усечённый конус), которые образуют концентрические зоны и обмениваются энергией, импульсом и массой между собой и окружающим TBC газом. Координаты и скорости передней и задней границ к-то слоя имеют значения zk, zk.t, и wh wk+! соответственно. В центре к-го слоя скорость потока определяется как Wk=(M>k+wk-j)l2, а координата Zk=(zk+zk~/)/2;

- количество топливных струй определяется числом сопел топливной форсунки двигателя, а процесс моделирования сводится к рассмотрению одной

- массообмен учитывается в радиальном направлении в форме турбулентной диффузии на границе с окружающим газом и молекулярной диффузией на конической границе между зонами струи. Добавляется и фронтальный приход воздуха в TBC. Скорости притока и оттока масс отдельных компонентов топ-ливно-воздушной смеси определяются диффузионными процессами;

— зоны представляют собой дисперсную среду, состоящую из газовых объемов с включенными и зафиксированными в них каплями распыленного жидкого топлива. Распределение по размерам этих капель учитывается упрощенно путем введения среднеобъёмного и среднеквадратичного диаметров для расчета массы распыленного топлива и процессов тепломассообмена капель с окружающим газом;

Система, описывающая процесс сжатия свежего заряда и динамику TEJC дизеля, в зависимости от угла п.к.в. ip, включает:

* dv тг Е-\ .

- уравнение динамики объема системы — = Vc-sin ip

dq> 2

1 +

cos ip

Vl/я2 -Si

sin2 ф

- уравнение температуры системы

dT

R

dip p„Va < C,,c >

ydQt pdV t dip dip

- dQ yrpaFt(Tt-T)

- уравнение скорости теплообмена —— = > —:l1-£-—,

dtp Y 2лий,

dm. p ,2

- уравнение скорости подачи топлива —- = ——d0w0,

dip 8%

- уравнение геометрического объема TBC УЦ = + hf Ш2 ßdz,

- уравнение теплообмена капли с окружающей средой

при TZ<T„\

dmi"

2л..

„(О г ¿г«>

"■'drops

dip

С.

"'drop

' м«

dmi

Л/,

¿p М6 dip при 7Г = Г,

(г„<С,<т;2}

-уравнение ускорения слоя факела (с учётом присоединенных масс и потери на трение)

+ 2Л,)

Л " Л 1В/?((г4+А,)3^

А »'о ®/о

где - объём камеры сжатия; е — степень сжатия; А - параметр двигателя; р - давление в цилиндре; ра, Va и Та - давление, объём и температура в цилиндре в момент закрытия впускного клапана соответственно; а — коэффициент теплопроводности; Fk и Тк - площадь и температура ¿-ой поверхности теплообмена;«^ -частота вращения коленчатого вала; £/'Jdrop и Ina - среднеобъемный диаметр в /-ой зоне и дисперсия распределения логарифмов размеров капель; Csm и Lsm -молярная теплоемкость и теплота кипения ДТ; vt - кинематическая вязкость ¿-го слоя; Sk - толщина пограничного слоя; dm ¡/dt- масса натекающих компонентов смеси в зону.

Система дополнительно включает уравнения: динамики давления; состояния газа в TBC; массовой скорости испарения капель топлива; изменения массы в зонах TBC и другие

В разделе описана также программа для численного моделирования динамики TBC дизеля и процессов тепло- и массопереноса.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАСПЫЛЕННОЙ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СТРУИ ДИЗЕЛЯ

В разделе приводятся методики оптических исследований распределения капель в TBC по размерам при их малоугловом светорассеянии, с оценкой параметров этого распределения, а также скорости распространения фронта TBC по времяпролетной методике с использованием камеры скоростной видеосъемки и экспериментального комплекса для создания противодавления на основе БПО и организации впрыска топлива.

Оптическая схема и экспериментальная установка на базе БПО, реализующие времяпролетную методику исследования скорости распространения фронта TBC, представлена на рисунках 2 и 3.

форсунка

проекционный ооъектнв

коллиматор

топливный факел

светочувствительная матрица

Рисунок 2 - Оптическая схема исследования скорости распространения фронта TBC по времяпролетной методике

Рисунок 3 - Установка для исследования скорости распространения фронта TBC по

времяпролетной методике: I - поворотное зеркало в держателе: 2 - коллиматор: 3 - модельная камера с форсункой (на базе БПО): 4 - проекционный объектив: 5 - камера скоростной

видеосъемки

При исследовании распределения капель в TBC излучение лазера кол-лимируется оптической системой, состоящей из короткофокусного и длиннофокусного объективов и точечного отверстия (pinhole), позволяющего значительно уменьшить зернистый шум от паразитного светорассеяния. Прошедшее излучение фокусируется в дифракционное пятно и отсекается фильтром низких пространственных частот, а наблюдаемая картина проекционным объективом отображается на светочувствительную матрицу регистрирующей аппаратуры (Рисунки 4 и 5).

При обработке результатов исследований дисперсности распыливания топлива методом малоуглового светорассеяния предполагается, что диаметр

капель распределен по логарифмически нормальному закону (для случайной величины а - диаметра капли справедливо, что Ina распределен по нормальному закону с параметрами а„, и а), то есть функция распределения имеет вид

(Inn- Ina,,,)!

In стл/ 2 лс

-ехр -

2 In 'er

коллиматорная система: мнкрообъектнв и длиннофокусный объектив <

приемного

Филыр низких пространственных частот

светочувствитель пая матрица

проекционный объектив

Рисунок 4 - Оптическая схема исследования малоуглового светорассеяния на каплях распыленного топлива

Рисунок 5 — Установка для исследования малоуглового светорассеяния: 1 - оптический квантовый генератор (ОКГ); 2 - поворотные призмы в держателях: 3 - фильтр высоких пространственных частот с микрообъективом: 4- коллиматор: 5- БПО с форсункой 6- приемный объектив: 7- фильтр низких пространственных частот; 8- проекционный объектив; 9- камера скоростной видеосъемки

Параметры логнормального распределения а,„ и а оцениваются при сравнении зарегистрированной картины светорассеяния - сглаженная зашум-ленная зернистостью картины светорассеяния кривая (Рисунок 6), с расчетной (гладкая кривая) путём подбора этих параметров для расчётной кривой.

\>ч

V-2

Рисунок 6 — Экспериментальная (I) и теоретическая (2) кривые светорассеяния /- интенсивность рассеянного света (уровень сигнала в единицах формата Ьтр): г - расстояние до центра картины светорассеяния

и г

В связи с тем. что размер капель топлива, в основном, заключен в пределах от атт до атю, в эксперименте определяются параметры, так называемого, усеченного логнормального распределения, в котором пределы интег-

рирования функции плотности вероятности в условии нормировки сужаются от интервала (0 - оо) до интервала (ат;„ - ат„), то есть

|f{a)da-

1

• I ехр

(in а - In ат )2 2 In2 о-

d\na=\.

In (7^27Т J""

В результате обработки данных получается среднеобъемный диаметр а30 и параметр <т, а из них находятся медианный диаметр ат, at0 и а2о. 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВОПРОСЫ СОГЛАСОВАНИЯ TBC С ГЕОМЕТРИЕЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЯ

Рассмотрены вопросы согласования параметров TBC с геометрией камеры сгорания дизеля, а также результаты экспериментального определения распределения капель топлива по размерам, распространения фронта TBC и дальнобойности струи с системой топливоподачи CR.

Для проведения расчётов динамики TBC использовалась упрощённая однозонная математическая модель материальной точки переменной массы (Рисунок 7), предполагающая описание TBC до момента отрыва (1)

dt dz,

— — Wi; dt '

W, = 1.414Ж;

dW dt

2A„

(i)

K. =s„2,|l + iL+ Z'

m, = 5„

3 hl r

I Z, + o' l + P/'V

- = w;

и после отрыва от сопла форсунки (2) dZ_ dt

dz,

—L = w1; dt 1

dz2

dt

w, =W(\ + 0,Arlt), w, = W;

(2)

dW _ nd0KW-dt ~ К

1 + ^4 w,- 1+-K) - l к

hs Щ

I , г, z; -z, 1 + -^ + - -

К

, = pfSuw„r + K^pjy^ - S0w0r)

Рисунок 7 - TBC при однозонном представлении

Для обработки экспериментов по динамике TBC предложена формула z<p=z™Ji}~ ехр(-/ /тф)], (3)

где 2тах - дальнобойность TBC; тф = zra„ / wa - постоянная времени затухания

(торможения). Определение параметров zmax и тф в (3) предлагается на основе экспериментальных данных зависимости координаты фронта TBC от времени (/,, z,-) путем численной итерации по формуле

, - 2У

2>,.(l-exp(-f,/r,))' полученной минимизацией функционала

Ж*«,.*,) = £[z_(l - exp(-i( /г,))- zj min ,

(4)

используемого в методе наименьших квадратов.

Результаты обработки серии экспериментальных данных (Рисунок 8) скоростной регистрации впрыска ДТ в атмосферных условиях на основе формулы (4) приведены на рисунке 9, из которого видно, что начальная скорость TBC растет с увеличением давления впрыска топлива рвпр- Для сопла диаметром 4=0,30 мм значения коэффициента £,„, учитывающего условную потерю начальной скорости TBC от давления впрыска приведены в таблице 1.

Длина топливной струи при различных давленкх, M Па

Рисунок 8 -Экспериментальные значения длины топливной струи при различных давлениях впрыска для дизельного топлива (результаты получены на кафедре ДВС АлтГТУ A.B. Еськовым, С.И Гибельгаузом, C.B. Яковлевым и др.)

В рамках экспериментальных исследований по малоугловому светорассеянию определялась дисперсность капель ДТ при различных давлениях впрыска топлива рвпр- Зависимость среднего диаметра Заутера а32 и средних диаметров а,0 и а30) капли ДТ от давления впрыска приведена на рисунке 10.

Рисунок 9 - Динамика TBC ДТ при впрыске в атмосферу при давлении впрыска топлива рвт>: 1 - 80 МПа; 2 - 120 МПа; 3 - 160 МПа

Таблица 1 — Значения коэффициента к^ действительной (условной) начальной

Вид топлива (dc =0,25 мм) Коэффициент начальной скорости факела (струи) ку,

Давление впрыска топлива рВПр, М11а

60 80 100 120 140 160 180

ДТ 0,423 0,412 0,406 0,400 0,395 0,389 0,382

во 80 100 120 140 160 180 Давление впрыска р, МПа

Рисунок 10-Зависимость средних диаметров капли ДТ от давления впрыска рВПр при диаметре устья сопла 0,30 мм:

1 - среднеарифметический (а10);

2 - среднеобъёмный (а30);

3 - диаметр Заутера (а32)

Как видно из представленной зависимости, при увеличении давления впрыска средний диаметр капли уменьшается приблизительно по экспоненциальному закону

(а)^ = ап = я„ехр[- крВПР /#,]= а0ехр(- foc), (5)

где ро - атмосферное давление; при диаметре сопла распылителя равном 0,30 мм предэкспонент для дизельного топлива а0~-=36,5 мкм, а константа при аргументе к = 5,005-Ю"4.

Некоторые результаты исследования динамики TBC дизеля времяпро-летным методом с помощью скоростной видеосъемки при различных давлениях впрыска рвпр ДТ приведены на рисунке 11.

Численные решения системы уравнений (1)-(2) дают зависимости динамики развития TBC (координаты переднего фронта факела z от времени t) при различных давлениях впрыска рВПР для ДТ при впрыске в среду с различным противодавлением. Так параметры впрыска в атмосферу приведенные на рисунке 8, при впрыске в среду с противодавлением, применительно к условиям в дизеле (Рисунок 12), рассчитываются с точностью 5-10 % по сравнению с экспериментальными данными.

—й ' - • - : ; *= ' : х

I I

О 200 400 600 800 1000

Время, мкс

6

Рисунок 11 - Динамика TBC по данным скоростной видеосъемки в БПО при различных давлениях впрыска ДТ (диаметр сопла форсунки dc=0,25 мм): 1 -60 МПа; 2-80 МПа; 3 — 100 МПа; 4 - 120 МПа

а - противодавление 2,0 МПа; б - противодавление 3,0 МПа; в - противодавление 4,0 МПа

50

S

л 40 X

|зо £

S 20

X

i

а 10

Й- 30 •в-

400 600 Время, мкс

а

400 600 Время, мкс

в

800 1000

в

б

Рисунок 12-Расчетная зависимость динамики переднего фронта TBC от времени при впрыске в атмосферу и БПО при различных давлениях впрыска топлива Рвпр (диаметр сопла форсунки dc=0,30 мм): 1-60, 2-100, 3- 140, 4- 180 МПа

а - противодавление 0,1 МПа; б - противодавление 3,0 МПа; в - противодавление 6,0 МПа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Основные результаты работы состоят в следующем.

1 Разработаны математические модели и рабочие программы для численного моделирования процессов смесеобразования в многозонном приближении (основной вариант - разбиение TBC на 6 зон) и для упрощенной одно-зонной модели TBC. Проведенные численные расчеты характеристик TBC показали удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными (для однозонной модели порядка 5-7%).

2 Предложена полуэмпирическая модель TBC для обработки экспериментальных данных, позволяющая, в отличие от существующих моделей, определять максимальную дальнобойность TBC.

3 Разработаны методики оптической диагностики TBC с помощью скоростной видеосъемки для системы топливоподачи CR в БПО в условиях, приближенных к рабочему процессу в дизеле по давлению (2,0-4,0 МПа) и температуре (500-800 К), а именно:

- методика исследования дисперсности распыливания топлива дизельной системой топливоподачи CR методом малоуглового светорассеяния. Исследования показали, что средние диаметры капель уменьшаются с ростом давления впрыска топлива приблизительно по экспоненциальному закону, а зависимость средних диаметров капель топлива пропорциональна корню квадратному от диаметра соплового отверстия форсунки. Средний диаметр капель пропорционален корню кубическому из отношений плотностей топлива и воздуха (при изменении давления впрыска от 60 до 180 МПа средний диаметр Заутера изменяется от 27 до 15 мкм).

- методика исследования динамики переднего фронта TBC в БПО при различных значениях давления впрыска топлива и величины противодавления. Получены зависимости длины TBC дизеля от давления впрыска и противодавления для ДТ, а также уточнены значения коэффициента к^ потери скорости при впрыске в атмосферу: при />вга>= 60 МПа действительная скорость меньше теоретической 58%, а прирВпр= 180 МПа на 62%.

- создан экспериментальный комплекс для оптической диагностики параметров TBC дизеля с системой топливоподачи CR на базе БПО и другого оборудования.

4 Получены и развиты методики согласования характеристик TBC дизеля с геометрией камеры сгорания двигателя на основе:

- эмпирических зависимостей, которые могут быть рекомендованы для практического применения с целью оценки дальнобойности TBC в двигателе, если известна зависимость координаты фронта TBC от времени (достаточно иметь 5-7 точек) даже при впрыске в атмосферу;

- разработанной компьютерной программы для численного моделирования TBC дизеля (свидетельство о государственной регистрации №2011619013).

5 Исследования показали, что разработанные экспериментально-расчетные методики позволяют надежно прогнозировать дальнобойность и динамику распространения переднего фронта TBC дизеля.

Полученные результаты и разработанные при выполнении работы математические модели, методики, компьютерные программы и учебно-методические разработки используются:

— при выполнении OK и НИР в УК «Алтайский завод прецизионных изделий», г. Барнаул;

— в научно-исследовательских работах и учебном процессе в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова, г. Барнаул.

Основные результаты изложены в работах:

статьи в изданиях, рекомендованных ВАК -

1. Сеначин, П.К. Моделирование динамики топливной струи и процессов смесеобразования в дизельном факеле / П.К. Сеначин, С.А. Ульрих, В.В. Чертищев // Вестник Академии военных наук.- 2011.- № 2(35).- С. 316-321.

2. Чертищев, В.В. Оптическая диагностика топливно-воздушного факела дизеля. Распределение капель топлива по размерам / В.В. Чертищев, С.А. Ульрих, П.К. Сеначин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока.—2011. №2.-С. 237-241.

публикации в других изданиях -

3. Сеначин, П.К. Формирование топливно-воздушного факела дизеля / П.К. Сеначин, С.А. Ульрих, В.В. Чертищев // Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2007): матер. Всерос. научно-практ. конф. с меж-дунар. участием; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова, г. Барнаул, 17-20 октября 2007. - Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2007. - С. 77-79.

4. Сеначин, П.К. Моделирование динамики топливного факела дизеля / П.К. Сеначин, С.А. Ульрих, В.В. Чертищев // Новые материалы для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания: сб. статей; под ред. д.т.н., профессора, академика PAT АЛ. Новоселова / Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - С. 100-104.

5. Сеначин, П.К. Применение метода малоуглового светорассеяния для определения дисперсного состава распыленного топлива / П.К. Сеначин, В.В. Чертищев, С.А. Ульрих // Новые материалы для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания: сб. статей; под ред. д.т.н., профессора, академика PAT АЛ. Новоселова/ Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - С. 94-98.

6. Ульрих, С.А. Моделирование рабочего цикла поршневого дизельного ДВС / С.А. Ульрих // 68-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета. 4.1 / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - С.31-38.

7. Сеначин, П.К. Моделирование динамики топливного факела дизеля / П.К. Сеначин, С.А. Ульрих, В.В. Чертищев Н 5-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: тезисы докл. Юбилейной научно-техн. конф., 14 марта 2011.-М.: МАДИ, 2011.-С. 148-150.

8. Чертищев, В.В. Исследование динамики топливного факела дизеля / В.В. Чертищев, П.К. Сеначин, С.А. Ульрих // 69-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического универ-

ситета. 4.1 / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2011.-С. 76-77.

9. Чертишев, В.В. Модельное распределение капель в топливном факеле дизеля по размерам / В.В. Чертищев, П.К. Сеначин, С.А. Ульрих // 69-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета. Ч. 1 / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2011. - С. 78-82.

10. Сеначин, П.К. Влияние давления впрыска топлива на дальнобойность топливного факела / П.К. Сеначин, С.А. Ульрих // Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей / под ред. A.J1. Новоселова; Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2011.-С. 82-85.

11. Ульрих, С.А. Математическая модель динамики дизельного факела в изотермическом приближении / С.А. Ульрих, П.К. Сеначин, В.В. Чертищев // Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей / под ред. A.JI. Новоселова; Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2011. - С. 90-96.

12. Ульрих, С.А. Методы исследования и моделирование динамики топливно-воздушной струи и задержки воспламенения топлива в дизеле: учебное пособие / С.А. Ульрих, А.П. Сеначин, П.К. Сеначин, В.В. Чертищев; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012.- 72 с.

13. Расчет динамики изотермического дизельного факела (TORCH-Izotermal): свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011619013. / П. К. Сеначин, С. А. Ульрих, А. П. Сеначин, В. В. Чертищев; правообладатель ФГБОУ ВПО «Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова». - Заявка №2011617184; за-явл. 27.09.2011 г.; зарегистр. 18.11.2011 г.

Подписано в печать 18.04.2012. Формат 60x84 1/16. Печать - ризография. Усл. п.л. 0,93 Тираж 100 экз. Заказ 350/2012. Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. Лицензии: ЛР № 020822 от 21.09.98 года, ПЛД № 28-35 от 15.07.97 Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

61 12-5/3077

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени И.И. Ползунова

УЛЬРИХ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАСПЫЛЕННОЙ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СТРУИ ДИЗЕЛЯ С СИСТЕМОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ COMMON RAIL

05.04.02 - тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Сеначин П.К.

Барнаул 2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ДИЗЕЛЕ..................................................................13

1.1 Методы математического моделирования рабочего цикла дизеля.......13

1.2 Современное представление о структуре и динамике струи распыленного топлива в дизеле........................................................................23

1.3 Особенности развития топливной струи дизеля при использовании системы топливоподачи повышенного давления типа Common Rail..........31

1.4 Моделирование процесса смесеобразования и сгорания в дизеле........35

1.5 Выводы по разделу......................................................................................42

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СТРУИ ДИЗЕЛЯ КАК ТЕЛА ПЕРЕМЕННОЙ МАССЫ..................................44

2.1 Постановка задачи.......................................................................................44

2.2 Базовые уравнения математической модели............................................47

2.3 Особенности динамики топливовоздушной струи как

тела переменной массы......................................................................................54

2.4 Математическое описание динамики развития струи............................61

2.5 Реализация модели и рабочая программа.................................................75

2.5.1 Основные положения численной реализации модели.......................75

2.5.2 Решение системы дифференциальных уравнений............................78

2.6 Выводы по разделу......................................................................................83

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАСПЫЛЕННОЙ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СТРУИ ДИЗЕЛЯ.................................................84

3.1 Модельное распределение капель топлива по размерам........................85

3.1.1 Формулы Розина-Раммлера................................................................85

3.1.2 Логарифмически нормальное распределение....................................87

3.2 Методика исследования распределения капель топлива по размерам .88

3.2.1 Схема установки для исследования дисперсности топливной струи

методом малоуглового светорассеяния.......................................................89

3.2.2 Оценка параметров распределения...................................................95

3.3 Установка для исследования скорости распространения фронта топливной струи.................................................................................................98

3.4 Комплекс для создания противодавления и организации

впрыска топлива...............................................................................................102

3.5 Выводы по разделу....................................................................................107

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВОПРОСЫ СОГЛАСОВАНИЯ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СТРУИ С ГЕОМЕТРИЕЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЯ.........................................................................................108

4.1 Задача согласования параметров топливной струи дизельного факела с геометрией камеры сгорания..........................................................108

4.2 Математическая модель описания топливной струи

как материальной точки переменной массы.................................................110

4.2.1 Модель развития изотермической топливной струи как тела переменной массы..........................................................................................111

4.2.2 Алгоритм и программа расчёта динамики топливной струи дизельного факела..........................................................................................120

4.3 Некоторые вопросы согласования параметров топливно-воздушной

струи дизеля с геометрией камеры сгорания................................................123

4.3.1 Согласование параметров струи на основе

эмпирических формул....................................................................................123

4.3.2 Некоторые результаты оптической диагностики топливной струи дизеля с помощью скоростной видеосъемки..................................133

4.3.3 Результаты численных расчётов динамики топливной

струи дизеля...................................................................................................136

4.4 Выводы по разделу....................................................................................139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ......................................................140

Литература............................................................................................................143

Обозначения.........................................................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на более чем вековую историю мирового двигателестроения интерес исследователей к проблемам смесеобразования и горения в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) не уменьшается. Современная техника предъявляет все более жесткие требования к мощностным и экономическим показателям двигателей, но их улучшение сопряжено с дополнительными трудностями, которые могут быть в определенной мере разрешены соответствующей организацией процессов смесеобразования и горения.

Естественно, что решение таких серьезных задач невозможно без использования современных способов получения экспериментальных данных и средств математического моделирования внутрицилиндровых процессов ДВС, в т.ч. в дизелях с перспективной аккумуляторной системой топливопо-дачи повышенного давления типа Common Rail (CR).

В конечном итоге задача состоит в том, чтобы на стадии проектирования и доводки дизеля можно было бы сравнительно просто и достоверно, при помощи эмпирических формул и моделей и математического моделирования, прогнозировать показатели работы двигателя. Поэтому разработка достаточно простой математической модели топливно-воздушной струи (TBC) дизеля с системой топливоподачи повышенного давления типа CR, исходящая из новых принципов описания процессов движения TBC, смесеобразования и других, а также проведение экспериментальных исследований TBC в двигателе или модельной бомбе постоянного объема (БПО) с использованием современных оптических методов и скоростной видеосъемки, представляется задачей актуальной.

Исследование динамических характеристик топливно-воздушной струи дизеля, как и любого иного нестационарного физического процесса или явления сводится к установлению закономерностей влияющих на его

протекание. При этом существует два основных направления исследований: экспериментальное и теоретическое.

Можно утверждать, что при экспериментальном методе исследования выводы, сделанные на основании результатов опытов, справедливы только для тех условий, при которых они были получены. Это является существенным недостатком экспериментального метода, поскольку приводит к известным затруднениям при распространения результатов опытов на другие подобные явления и процессы, например, во вновь создаваемых двигателях. Кроме того, решение многих вопросов чисто экспериментальными средствами затруднительно из-за необходимости проведения большого числа опытов и по экономическим причинам.

Особенностью же теоретического подхода на основе аналитических решений или численного моделирования является то, что и исходные позиции и выводы отличаются большой общностью, дающей основание для обобщения результатов решения задачи в пределах целого класса явлений. Основной задачей в теории ДВС является разработка расчётных методов оптимизации рабочих процессов в ДВС. Причём наибольшее распространение, при описании процесса горения в нашей стране и за рубежом получили полуэмпирические подходы на основе кинетического уравнения выгорания И.И. Вибе или его модификаций [4, 5].

Капитальным, по своему содержанию, является вклад в теорию рабочих процессов ДВС В.И. Гриневицкого, который впервые изложил основы теории двигателей и предложил метод теплового расчета, не потерявший актуальности и в наши дни. Дальнейшее распространение этот метод получил в трудах Н.Р. Брилинга, Е.К. Мазинга, A.C. Орлина, Б.С. Стечкина, H.A. Иващенко, Д.Д. Матиевского и других отечественных и зарубежных учёных [3, 11, 29, 36, 38, 63-67].

Наиболее выдающиеся аналитические результаты в теории двигателей по праву связаны с именем академика Б.С. Стечкина [63-67], который разработал инженерный метод приближенного построения и анализа характеристик тепловыделения и показателей действительного рабочего процесса. Дальнейшее развитие этот метод получил в работах Д.Д. Матиевского и др.

Несомненно, модели второго направления более перспективны. Однако необходимо отметить, что получение аналитического решения зачастую проблематично, поскольку при решении общих дифференциальных уравнений возникают большие трудности, которые порой не могут быть преодолены средствами современной математики. Кроме того, численное решение этих уравнений без начальных условий, как правило, определяемых эмпирическим путём, зачастую является не решаемой задачей.

Из сопоставления двух указанных методов следует, что каждому из них присущи сильные и слабые стороны. Конечно, синтез сильных сторон теоретического и экспериментального методов позволяет определять наиболее универсальный метод исследования явлений. Для решения многих практических задач используется метод математического моделирования, основанный на описании физической сущности изучаемого явления. Важным преимуществом численных моделей является их гибкость и возможность постановки и решения на их основе той или иной задачи оптимизации рабочего процесса, а также возможность создания системы автоматизированного проектирования двигателя, центральным элементом которой является математическая модель его рабочего процесса.

Основная тенденция в двигателестроении состоит в том, что крупнейшие фирмы-производители особое внимание уделяют разработкам и производству двигателей с воспламенением от сжатия, как более экономичным, по сравнению с двигателями с принудительным воспламенением. Этот тип двигателей прошел сложный путь развития от предложенной Р. Дизелем идеи

компрессорного впрыска угольной пыли, до современных высокооборотных машин, работающих на жидком топливе, в которых реализовано большое число достижений научно-технического прогресса. Двигатели с воспламенением от сжатия зарекомендовали себя надежными, экономичными и обладающими хорошими экологическими характеристиками силовыми установками, и на сегодняшний день они являются наиболее перспективными силовыми агрегатами для транспорта, находящимися в массовом производстве.

Одним из направлений дальнейшего развития дизелестроения является повышение удельной мощности двигателей. Это осуществляется за счёт увеличения среднего эффективного давления и частоты вращения коленчатого вала, а, следовательно, связано с дальнейшей интенсификацией процессов смесеобразования (диффузионных потоков) и сгорания.

Таким образом, решение основных проблем дизелестроения (улучшение экономических и экологических показателей, сжигание тяжелых сортов топлива, повышение удельной мощности) требуют улучшения качества смесеобразования и сгорания.

Обычно динамика процесса горения в дизельном двигателе описывается уравнениями, основанными на объёмном законе выгорания [4, 5]. При этом принимается гипотеза о том, что в цилиндре происходит мгновенное перемешивание свежего заряда и прореагировавшей смеси. Поэтому процессы в цилиндре двигателя описываются однозонной моделью, характеризуемой сравнительно простым численным решением исходных уравнений. Однако такое описание сложных пространственных процессов внутри цилиндра ДВС может быть использовано лишь для вполне определенного круга задач, когда принятое приближение не даёт существенных искажений картины реального процесса. В ряде случаев это требование не выполняется, и для получения приемлемой точности решения необходимо использовать более сложные модели. Реальные процессы горения в двигателе могут быть описа-

ны только в рамках многозонных моделей, когда учет всех протекающих физико-химических процессов чрезвычайно затруднен. Известные случаи описания рабочих процессов, протекающих в двигателях с воспламенением от сжатия, в рамках многозонных моделей весьма редки [20, 29].

Все сказанное позволяет сделать вывод, что в настоящее время работы по дальнейшему совершенствованию численных методов исследования рабочих процессов двигателей приобретают ещё большую актуальность. Существующие математические модели и аналитические методы исследования рабочих процессов дизелей разработаны недостаточно - описывают рабочий процесс либо эмпирически, либо в рамках однозонной математической модели, и, как следствие, не отвечают возросшим современным требованиям, либо слишком сложны и не могут быть реализованы на практике. Поэтому построение адекватных физических моделей двигателя с самовоспламенением от сжатия и исследования на их основе являются задачами актуальными.

В настоящее время преимущественное распространение в двигателе-строении получили системы топливоподачи с объемным способом смесеобразования. Этот способ реализуется при струйном смесеобразовании, что само по себе дает плохое смешение топлива с окислителем. Этот недостаток усиливается при форсировании по среднему эффективному давлению, работе на режиме максимального крутящего момента, ухудшении технического состояния топливной аппараты. Дополнительные турбулентные возмущения, вносимые в струю, позволяют уменьшить переобогащение топливом сердцевины струи и тем самым уменьшить вероятность образования зон, переобогащенных топливом. В настоящее время зарубежное и отечественное дизеле-строение переходит на системы топливоподачи повышенного давления, подобные системе типа Common Rail (CR).

Повышение давления впрыска при одновременном согласовании параметров распыливаемых топливных струй с формой камеры сгорания позво-

ляет решить проблему организации оптимального, для данной камеры сгорания (КС), процесса смесеобразования, с одновременным согласованием характеристик TBC дизельного факела с геометрией КС. Это согласование (отсутствие контакта топливной струи (ТС) дизельного факела со стенками КС) возможно произвести путем организации следующих мероприятий:

- изменением (увеличением) геометрических размеров камеры сгорания (что на практике зачастую невозможно);

- увеличением количества сопловых отверстий с целью сокращения дозы впрыскиваемого топлива на одно отверстие, и, как следствие, снижение дальнобойности ТС топливного факела (что на практике ограничено параметрами распылителя форсунки);

- увеличением мелкости распыливания топлива путём уменьшения диаметра соплового отверстия;

- снижением дальнобойности TBC дизеля изменением её параметров (угла раскрытия, дисперсности и степени турбулизации ).

Поэтому можно сделать вывод, что перспективная топливоподающая аппаратура должна обладать высокой энергией впрыска (давление до 200 МПа), обеспечивать гибкое управление характеристикой впрыска, давать возможность осуществления многофазной или дробной подачи топлива, иметь согласованные параметры топливной струи с формой камеры сгорания и характеристикой воздушного вихря. Одной из таких перспективных систем с микропроцессорным управлением, которая позволяет обеспечивать высокие давления впрыска, гибко управлять характеристикой впрыска, осуществлять многофазную подачу и т.д., является система топливоподачи повышенного давления (аккумуляторного типа) Common Rail (CR).

В соответствии с вышесказанным, в работе предпринята попытка исследования динамических характеристик TBC дизеля (дисперсности, динамики и геометрии TBC с системой топливоподачи CR) и создания достаточ-

но простых математических моделей TBC, адекватно описывающих динамику процесса смесеобразования в дизеле.

Цель работы - исследование характеристик топливно-воздушной струи дизеля с системой топливоподачи Common Rail для совершенствования рабочего процесса и решения вопросов согласования параметров TBC с геометрией камеры сгорания.

Для достижения поставленной в работе цели решались следующие основные задачи.

1. Разработка многозоной математической модели и рабочей программы для численного моделирования TBC дизеля как тела переменной массы, с учётом внутризонного и межзонного тепло- и массопереноса.

2. Разработка упрощенной математической модели и рабочей программы для численного моделирования TBC дизеля и проведение расчётов для двигателя с системой топливоподачи типа CR.

3. Разработка эмпирической модели для обработки экспериментальных данных по дальнобойности TBC при впрыске в атмосферу или бомбу постоянного объема (БПО).

4. Разработка оптической методики и исследование динамики распространения фронта TBC дизеля и его геометрии.

5. Разработка оптической методики и исследование распределения капель топлива в TBC дизеля по размерам.

6. Создание экспериментального комплекса для оптической диагностики параметров TBC дизеля с системой топливопо