Расчет параметров струи впрыскиваемого жидкого топлива тепловозных дизелей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.436

А. И. ВОЛОДИН Л. Ю. МИХАЙЛОВА

Омский государственный университет путей сообщения

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СТРУИ ВПРЫСКИВАЕМОГО ЖИДКОГО ТОПЛИВА ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

В статье дана методика выбора диаметра и числа сопловых отверстий распылителей форсунок тепловозных дизелей, приведены основы расчета качества распыливания жидкого топлива с примерами расчетов, показана необходимость согласования длины факела с задержкой воспламенения.

Ключевые слова: сопло, проходное сечение, мелкость распыливания, длина факела, задержка воспламенения.

1. Расчет мелкости распыливания жидкого топлива

В процессе подачи жидкого топлива в камеру сгорания тепловозного двигателя определяют его расход за цикл, скорость истечения, длину струи (факела) и мелкость (дисперсность) распыливания.

На рис. 1 показан съемный сопловый наконечник распылителя форсунки, а в табл. 1 приведены его основные размеры. Подача жидкого топлива к сопловым отверстиям осуществляется под высоким давлением, обеспечивая требуемую дисперсность распыливания и длину факела. Площадь поверхности струи распыленного топлива зависит от размеров капель и их количества. Обычно распыленное топливо представляется в виде совокупности мелких шариков с радиусом Я, площадью поверхности 8к = = 4 р Я2 и объёмом Ук = 4/3 р Я3. При диаметре капель йк = 2 Я площадь и объём будут равны

А32 -

(1)

При оценке мелкости распыливания топлива обычно определяют средний диаметр по Заутеру, который пропорционален отношению суммарного объёма всех капель к их суммарной поверхности [1]. Иосиф Заутер — немецкий ученый, физик, математик (1906-1983).

Средний диаметр капель по Заутеру (обознача-

2

(2)

где N — число капель с данным наружным диаметром; ^ — диаметр капель данного размера.

Анализ работ по физическим процессам, вызывающим распад струи на капли [1, 2, 3, 4, 5] показал, что распыливание топлива улучшается при уменьшении его вязкости и поверхностного натяжения, при увеличении давления перед сопловыми отверстиями, при уменьшении диаметра сопла.

Струя жидкости разделяется на капли в основном под воздействием капиллярного натяжения, колебательных явлений и скорости истечения, которая зависит от давления и диаметра соплового отверстия форсунки.

Распыливание топлива зависит от числа Вебера и Рейнольдса. Безразмерное число Вебера устанавливает связь между тремя параметрами, влияющими на мелкость распыливания жидкости, и находят из выражения

Ше = АР А /а,

(3)

где АР — перепад давления, Н/м2 в сопловом отверстии и среды, куда производится впрыск; ^ — диаметр соплового отверстия, м; а — коэффициент поверхностного натяжения жидкости (топлива), Н/м.

Для углеводородных топлив величина а (Н/м) имеет следующие значения: нефть — 0,026; дизельное топливо — 0,029; бензин — 0,022.

Число Рейнольдса зависит от средней скорости движения топлива &т (м/с), диаметра соплового отверстия ^(м), кинематической вязкости Ут ( м2/с) и определяется выражением

Таблица 1

Основные размеры соплового наконечника

Рис. 1. Сопловый наконечник распылителя форсунки

О, мм Оі, мм 1, мм 1і, мм А, мм Аі, мм Число отверстий

12 8 14,5 6,5 1,5 0,3 8

ЮТ А32)

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

(4)

Динамическая вязкость тт (Па с), кинематическая вязкость Ут (м2/с) и плотность топлива рт (кг/м3) связаны выражением

тт — vт / рт

(5)

Одним из основных законов капиллярных явлений, влияющих на мелкость распыливания топлива, является закон Лапласа. Безразмерный критерий Лапласа связывает четыре параметра, влияющие на мелкость распыливания топлива

Ьр (рт Дс а) / Цт

(6)

где рт — плотность топлива, кг/м3; <Зс — диаметр соплового отверстия, м; а — коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; |тг — коэффициент динамической вязкости топлива, Н с/м2 .

Значительное влияние на распыливание топлива оказывает величина скорости, с которой жидкость вытекает из соплового отверстия. Как показали многочисленные эксперименты, величина скорости вытекающего топлива $т, при которой начинается распад непосредственно у соплового отверстия, зависит от ряда факторов [1]:

$т = { (рт Рв; IV и а АсЬ

(7)

где рт и рв — соответственно плотность топлива и воздуха; и тв — коэффициенты динамической вязкости топлива и воздуха; а — поверхностное натяжение топлива; <Зс — диаметр соплового отверстия.

Для придания уравнению безразмерного вида воспользуемся масштабами протяженности Ь, времени т и массы М. Выберем эти масштабы так, чтобы

М , М • Ь , рт • ^3 - 1; а • - 1; йс • Ь 1 тогда, (8)

1

Ь - —; М -■

1

0,5

Ас • рТ

, Т -

Я 1,5 0,5

•Рт'

(9)

После приведения к безразмерной форме функциональное уравнение (7) примет вид [1]

Рт • Ас

УІРт • Дс •а рТ цт

Введем обозначения

(10)

Ше

»Т • РТ • Дс . ЬР - РТ • А • а ; и - ;

тТ

К

а

и Т

Р к -

р Т

(11)

На основании обработки экспериментальных результатов и теоретических предположений А.С. Лышевский [2] получил зависимость, позволяющую определять средние диаметры капель при впрыске. Для определения среднего диаметра капель по Зауте-ру используем формулу

Д32 - Дс • 1,68 • (рк • Ше)-0,266 • Ьр-°,073 . (12)

Пример 1. Определить диаметр сопловых отверстий распылителя для подачи дизельного топлива в

камеру сгорания под средним постоянным давлением 40 МПа (40 106 Н/м2). Максимальное давление в полости форсунки 70 МПа. Плотность дизельного топлива при 20 оС равна 850 кг/м3.

В качестве примера определим расчетным путем и при помощи номограммы суммарное значение проходного сечения сопловых отверстий распылителей, их число и диаметр для дизеля ООО «Коломенский завод» 4-36ДГ, 8ЧН 26/26 .

Для режима номинальной мощности цикловую подачу (мм3) для дизеля 8ЧН 26/26 определим по формуле:

д„ • Ы„ • 1000 200 • 993 • 1000 3

а„ - —---е------ -------------- 1300 мм м ч!

ц 1 • пн •рТ • 60 8 • 375 • 0,85 • 60 ,(13)

где Яе — удельный эффективный расход топлива, 200 г/(кВт ч); Ые — эффективная номинальная мощность, 993 кВт; 1 — число цилиндров, 8; пн — частота вращения вала насоса, 375 мин-1; рт — плотность топлива, 0,85 г/см3 (850 кг/м3).

Главным параметром распылителя является его эффективное проходное сечение |лР. Обычно коэффициент расхода |1 принимают 0,6 н 0,75. Суммарная площадь сопловых отверстий Б зависит от диаметра отверстий и их количества. Величина |1р для распылителей тепловозных дизелей с подачей топлива за цикл от 1000 до 2000 мм3 лежит в пределах 0,5 н 1,0 мм2. Для конкретного двигателя величина |1р должна иметь оптимальное значение, выбранное при доводочных испытаниях.

На рис. 2 показаны осциллограммы хода иглы (Ии) и изменения давления в канале форсунки (Р) в зависимости от угла поворота коленчатого вала (ф) при частоте вращения вала насоса 375 мин-1. Начало открытия иглы и подача топлива происходит примерно за 10о до ВМт и продолжается 30о поворота коленчатого вала или 15о поворота вала насоса.

Для тепловозных и судовых двигателей мощностью более 500 кВт при выборе эффективного проходного сечения распылителя в зависимости от цикловой подачи и продолжительности впрыскивания (длительности цикловой подачи) авторами рекомендуется номограмма, приведенная на рис. 3. Номограмма построена для частоты вращения вала двигателя 750 мин-1, среднего давления топлива перед сопловыми отверстиями 40 МПа (максимальное давление 70 МПа).

Каждая линия поля номограммы построена для постоянного значения цБ и неизменной скорости истечения топлива из сопла. При изменении продолжительности впрыска фв определялась цикловая подача qц .

Из анализа рис. 3 видно, что при уменьшении |1р увеличивается продолжительность впрыскивания фВ, что является важным при диагностике распылителей форсунок. Обычно уменьшение |лР в эксплуатации происходит в результате образования кокса в сопловых отверстиях, что нарушает процесс топливопо-дачи. Для дц = 1300 мм3 и фВ = 150 величина |лР = = 0,64 мм2.

Для оценки |1р вначале определяют теоретическую скорость истечения дизельного топлива через сопловые отверстия

(14)

где АР — среднее по величине давление топлива перед сопловыми отверстиями, равное 0,6 Рф тах; Рт — плотность дизельного топлива.

с

Р

в

в

Р

в

Рис. 2. Осциллограммы процесса подачи топлива (давление топлива в канале форсунки и ход иглы)

ЭТ = V2 • 400 • 105 / 850 = 306м / с .

Действительная максимальная скорость, при которой жидкость вытекает из сопловых отверстий $Д = $т |!т = 306 0,7 = 215 м/с.

Объемный расход топлива О из распылителя (м3/с) определяют из выражения

о = цБ -8 Т = цБ-V2•ДР/рТ,

(15)

(16)

Время 1 (с) и продолжительность впрыска (ф в) в градусах зависят от частоты вращения кулачкового вала (пн ) в мин-1 и связаны выражением

ф в = 6 пн і,откуда

і =

15

Фв _ _______________

6 • п н 6 • 375

= 0,00666 с. (17)

В тепловозных дизелях с интенсивным процессом подачи топлива в камеру сгорания продолжительность впрыска составляет 15 ^ 20о поворота кулачкового вала насоса.

Величина действительного объёмного расхода топлива через форсунку составит

О = 1300 / 0,0066 = 197000 мм3/с = 0,000197 м3/с,

откуда с учетом выражения (15)

тБ = О/д/2-ДР/рТ , (18)

цБ = 0,000197 / 306 = 0,0000006 м2 = 0,64 мм2.

Цикловая подача топлива проверялась с использованием выражения

q = цБ і 8 т 1000 = 0,64 0,00666 306 1000 = 1300 мм3.

4 • 0,1075 3,14

= 0,35 мм

где — эффективное проходное сечение распылителя, м2; $т — теоретическая скорость истечения топлива м/с.

Дополнительно объемный расход топлива за цикл в мм3/с можно определить по его количеству, поданному в камеру сгорания (дц) за время впрыска 1

РТ • Дс

— = 850 • 0,00035 • 0,029/(0,0034)2 = 746.

Рис. 3. Номограмма для определения рГ в зависимости от и

1 - рГ = 0,4 мм2; 2 - рГ = 0,5 мм2; 3 - рГ = 0,6 мм2; 4 - рГ = 0,7 мм2; 5 - рГ = 0,8 мм2; 6 - рГ = 0,9 мм2;

7 - рГ = 1,0 мм2

По известной величине площади соплового отверстия определяется его диаметр Дс

(19)

В табл. 2 приведены основные технические данные некоторых тепловозных двигателей и расчетные значения распылителей. Расчеты выполнены для максимального давления топлива в полости распылителя 70 МПа и продолжительности топливоподачи 15о поворота вала насоса.

Пример 2. Определить средний диаметр капель в процессе распыливания дизельного топлива.

Коэффициент поверхностного натяжения при 20 °С дизельного топлива 0,029 Н/м. Диаметр соплового отверстия 0,35 мм. Действительная скорость истечения топлива из соплового отверстия 215 м/с, плотность при 20 оС равна 850 кг /м3.

По формуле (11) находим критерий Вебера В.Э. (немецкий физик 1804 — 1901).

8д • Рт • Дс 2

Ше = Д ----------с = 2152 • 850 • 0,00035/0,029 = 474200.

Для нахождения критерия Лапласа П.С. (французский математик, физик, 1749 — 1827) определим коэффициент динамической вязкости. Кинематическая вязкость дизельного топлива при 20 оС составляет 4 10—6 м2/с. При плотности 850 кг/м3 динамическая вязкость, согласно выражения (5), составит 0,0034 Н с/м2. По формуле (11) определим критерий Лапласа

Определим критерий плотности (формула 11) учитывая, что впрыск топлива производится в среду с противодавлением равным 5 МПа. При температуре воздуха в конце такта сжатия 800 К, плотность воздуха составит 21,6 кг/м3.

При величине коэффициента расхода, равного 0,74, суммарная площадь сопловых отверстий составила 0,86 мм2. При числе сопловых отверстий 8 площадь сечения одного сопла Бс будет равна 0,1075 мм2.

рк = 21,6 / 850 = 0,025.

По формуле (12) определим средний диаметр капель распыленного топлива для температуры 20 °С

Дс =

71

а

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

Таблица 2

Основные параметры тепловозных двигателей и распылителей форсунок

Тип двигателя ЧТЗ «Прага», К683100К, 6ЧН 31/36 ООО «Коломенский завод» 4-36ДГ 8ЧН 26/26 ООО «Коломенский завод» 5-26ДГ 12ЧН 26/26

Полная мощность, кВт 993 993 1470

Число цилиндров 6 8 12

Частота вращения, мин-1 750 750 750

Удельный расход топлива, г/(кВтч) 214 200 202

Рабочий объем цилиндра, л 27,1 13,8 13,8

Тип тепловоза ЧМЭ-3 ЧМЭ-3 М-62, ТЭ-3

Цикловая подача, мм3 1850 1300 1290

Действительная скорость истечения топлива из распылителя, м/с 215 215 215

Время впрыска, с 0,0066 0,0066 0,0066

Расход топлива, мм3/с 280300 196969 196000

Проходное и эффективное сечение распылителя, мм2 1,3/ 0,9 0,9/ 0,64 0,9/0,64

Число сопловых отверстий 8 8 8

Диаметр сопла, мм 0,45 0,35 0,35

Таблица 3

Рс, МПа 5 6 7 8 9 10

Ъ , мс 1,0 0,7 0,5 0,4 0,3 0,25

132 = йс • 1,68 • (рк • Ше) = 0,00035 • 1,68 • (0,025 = 0,00003 м = 30 мкм,

» т -0,073 _

• ЬР -

0,00035 • 1,68 • (0,025 • 474200)-0,266 • 746-0,073 =

Ь ^ |8д •т ^0'5 Ше0'105 • Мх 0'08

1,2 I йс

1,7 • Р к0

(20)

где йс м; 8,

- диаметр соплового отверстия распылителя, ^д - действительная скорость истечения топлива из сопла, м/с; т — время движения факела из распылителя, с; Ше — критерий Вебера (формула 11); Мх — критерий Маха (отношение скорости потока жидкости к скорости звука); рк — критерий плотности (отношение плотности воздуха к плотности топлива).

Пример 3. Определить путь, пройденный факелом Ьф за время впрыска, которое равно 0,0066 с.

Диаметр сопла йс = 0,35 мм, действительная скорость вытекающего топлива из сопла 9д = 215 м/с, критерий Вебера = 474200, критерий Маха =0,63, критерий плотности р = 0,025.

0,00035 1215 • 0,0066

1,2

0,00035

'о 0,08

- 0,26 м

топливо в каналах форсунки нагревается, его вязкость, и средний диаметр капель уменьшаются. Кинематическая вязкость дизельного топлива при увеличении температуры с 20 до 60 оС снижается с 4 10-6 до 2 10-6 м2/с.

2. Согласование длины распыленного топливного факела с периодом задержки воспламенения

На рис. 4 показан факел распыленного топлива в камере сгорания и его длина (Ьф). Расчетную длину факела от соплового отверстия до лидирующих капель можно определить из выражения [2]

1,7 • 0,025

Путь факела (длину) корректируют, изменяя диаметр сопла, скорость истечения топлива, продолжительность впрыскивания.

Поданное топливо в камеру сгорания (КС) воспламеняется с задержкой. На задержку теплового воспламенения главное влияние оказывает температура сжатого воздуха (разброс кинетической энергии молекул от своего среднего значения) и плотность (расстояние между молекулами), которая зависит от давления. Период задержки - это время от начала подъема иглы форсунки до момента воспламенения топлива (отрыв линии сгорания от линии сжатия), которое приближенно можно определить по формуле академика Н.Н. Семёнова:

В

Е

Рс

(21)

где В — постоянный множитель (Н с/м2), зависящий от свойств топлива (цетанового числа) и состава горючей смеси; Рс — давление в цилиндре в момент начала подачи топлива, Н/м2; т — порядок реакции (для бимолекулярной смеси при соударении двух реагирующих молекул, т = 2); Е - энергия акти-

Зависимость т. от величины Р

0,5

ЬФ -

III

Рис. 4. Расположение факела топлива:

1 - поршень; 2 - камера сгорания типа Гессельмана; 3 - факел распыленного топлива;

4 - распылитель форсунки

вации, необходимая для разрыва существующих меж-молекулярных связей, Дж/моль (при температуре более 700 К величина Е = 30000 — 40000 Дж/моль); Я — универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/ (моль К); Тс — температура воздуха в момент подачи распыленного топлива в камеру сгорания, К; е — основание натурального логарифма (2,71).

В табл. 3 показано расчетное значение хт при переменной величине давления в конце такта сжатия Рс (МПа), постоянной температуре Тс = 800 К и постоянный множителем В = 300 Н с/м2. Значение В соответствует цетановому числу (ЦЧ) 45 — 55. Если ЦЧ меньше 45 и его значение находится в пределах 45 — 30, то величину В корректируют путем умножения на коэффициент К= 45 / ЦЧ.

В табл. 4 приведено расчетное значение хт при переменной величине температуры Тс и постоянном давлении в конце такта сжатия Рс = 7 МПа.

Анализ данных табл. 3 и 4 показывает, что с увеличением Рс и Тс значение хт уменьшается. Величины Рс и Тс зависят от степени сжатия и давления наддува. Точное значение хт определяется экспериментальным путем.

За время равное задержки воспламенения передний фронт распыленного топлива должен пройти путь от сопловых отверстий форсунки до стенки КС. Длина топливного факела должна быть согласована с периодом задержки воспламенения. При слишком большой дальнобойности, топливо скапливается на стенке КС, образуя пленку, что ухудшает ее сгорание. При малой дальнобойности распыленное топливо находится вблизи форсунки и не заполняет объем КС. Воздух, находящийся в КС, не используется и процесс сгорания топлива ухудшается.

В табл. 5 указан путь факела (м), определенный по формуле (20) в зависимости от времени задержки воспламенения в с. При диаметре цилиндра 0,26 м (двигатель 8ЧН 26/26), расстоянии 0,1 м от распылителя до стенки камеры оптимальным будет время задержки воспламенения 0,001 с.

В заключение следует отметить, что в работе приведена методика, позволяющая оценить для теп-

Таблица 4

Зависимость т7 от величины Г

К 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Т1 , мс 8,0 5,0 4,0 2,0 0,5 0,4 0,3 0,25 0,2

Таблица 5

Путь факела (длина) в зависимости от времени

Время задержки воспламенения, с Длина факела распыленного топлива, м

0,001 0,10

0,002 0,14

0,003 0,16

0,004 0,20

ловозных двигателей величины эффективного проходного сечения распылителей форсунок, число и диаметр сопловых отверстий. Дана номограмма, позволяющая проводить выбор проходного сечения распылителя в зависимости от цикловой подачи и продолжительности впрыска топлива. Выполнены расчеты, позволяющие оценить мелкость распыленного топлива, определить длину факела, которая согласовывается с периодом задержки воспламенения.

Библиографический список

1. Алексеев, В. П. Физические основы процессов в камерах сгорания поршневых ДВС : учеб. пособие по курсу «Теория рабочих процессов комбинированных ДВС» / В. П. Алексеев, Д. Н. Вырубов. — М. : МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1977. — 84 с.

2. Лышевский, А. С. Распыливание топлива в судовых дизелях / А. С. Лышевский . — Л. : Судостроение, 1971. — 200 с.

3. Левин В. Г. Физико-техническая гидродинамика / В. Г. Левин. — М. : Физматгиз, 1959. — 699 с.

4. Кутовой, В. А. Распыливание топлива дизельными форсунками / В. А. Кутовой. — М. : Машиностроение, 1981. — 119 с.

5. Шалай, В. В. Расчет параметров струи впрыскиваемого жидкого окислителя / В. В. Шалай, Ю. П. Макушев. // Омский научный вестник. — 2010. — № 1(87). — С. 66 — 71.

ВОЛОДИН Александр Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), проректор по учебной работе, действительный член Академии транспорта РФ. МИХАЙЛОВА Лариса Юрьевна, аспирантка кафедры «Локомотивы».

Адрес для переписки: е-таіі: таки8Ьеу321@таі1.т

Статья поступила в редакцию 29.04.2011 г.

© А. И. Володин, Л. Ю. Михайлова

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ