close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Моделирование геометрических и динамических параметров топливной струи при впрыске в камеру сгорания дизеля на основе эксперимента в бомбе..pdf

код для вставкиСкачать
64
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шифрин, К. С. Изучение свойств вещества по однократному рассеянию / К. С. Шифрин // Теоретические и
прикладные проблемы рассеяния света. – Минск, 1971. –
С. 228–244.
2. Ван де Хюлст, Г. Рассеяние света малыми частицами: [пер. с англ.] / Г. ван де Хюлст. – М.: ИЛ, 1961. – 537 с.
3. Гудмен, Дж. Введение в фурье-оптику: [пер. с англ.] /
Дж. Гудмен. – М.: Мир, 1970. – 364 с.
4. 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.
УДК 621.436
С. А. Ульрих1, В. В. Чертищев2, П. К. Сеначин1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ТОПЛИВНОЙ СТРУИ ПРИ ВПРЫСКЕ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЯ
НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТА В БОМБЕ
1
Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова
2
Алтайский государственный университет
(e-mail: D21200403@mail.ru)
Представлена методика расчета геометрических и динамических параметров струи распыленного топлива дизеля для систем топливоподачи высокого давления путем численного моделирования на основе результатов оптической диагностики в бомбе с противодавлением.
Ключевые слова: оптическая диагностика, струя распыленного топлива, математическая модель, численное моделирование, дизель, бомба.
The technique of calculating the geometric and dynamic parameters of the jet fuel spray of diesel fuel injection
systems for high pressure by numerical simulation based on the results of optical diagnostics in the bomb with the
protivodavleniem.
Keywords: optical diagnostics, jet fuel sprayed Islands, mathematical model, numerical simulation, diesel, bomb.
Проблемы совершенствования рабочего процесса дизеля с неразделенной (полуразделенной)
камерой сгорания заключаются в необходимости
организации процесса горения жидкого топлива
с законом тепловыделения, обеспечивающим высокий КПД при допустимом уровне токсичных
компонентов и сажи в ОГ двигателя. Необходимо
обеспечить согласование параметров топливной
струи с геометрией КС – отсутствие попадания
капель топлива на стенку (решение подобных задач с получением эмпирических формул приведено в работах [1, 2]). Для численного моделирования параметров топливной струи необходимо
решение следующих задач:
1) разработки математической модели и
про-граммы расчета координаты фронта топливной струи дизеля, с системой топливоподачи высокого давления при впрыске в среду с
заданным давлением (плотностью);
2) разработки методов оптической диагностики струи распыленного топлива в бомбе
с противодавлением для получения экспериментальных зависимостей угла раскрытия и координаты фронта топливной струи в зависимости от величины давления впрыска топлива,
противодавления в КС и диаметра соплового
отверстия топливной форсунки.
На рис. 1 приведена оптическая схема, реализующая времяпролетную методику исследования скорости распространения фронта топливной струи (с небольшими изменениями оптической схемы реализуется методика исследования характеристик дисперсности капель
топ-лива методом малоуглового светорассеяния [3]).
Топливная струя представляет собой двухфазный поток капель дизельного топлива и
присоединенного воздуха. Измерение скорости
потока основано на регистрации движения определенного (обычно малого) объема, отличающегося от окружающей среды температурой, плотностью, светимостью, коэффициентом
преломления и т. д. Регистрация движения
струи обеспечивается камерой скоростной видеосъемки. Скорость фронта определяется смещением фронта за время между соседними кадрами (при известной частоте следования кадров). Оптическая схема экспериментальной установки содержит следующие элементы: 1) осветитель на основе лазера (ОКГ)); 2) коллиматор светового пучка; 3) бомбу постоянного
объема (БПО) с форсункой; 4) проекционный
объектив; 5) камеру скоростной видеосъемки
(со светочувствительной матрицей).
65
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Рис. 1. Оптическая схема исследования параметров распыленной топливной струи
Порядок проведения эксперимента. Предварительно в БПО создается требуемое давление путем подачи воздуха от баллонов пульта
управления. Затем синхронно запускаются высокоскоростная регистрация и впрыск топлива.
В результате на компьютере получается видеофайл (*.avi с медиаконтейнером AVI - Audio
Video Interface). Регистрируется частота съемки  (иначе невозможно определить скорость
факела).
Из зарегистрированных видеофильмов топливной струи программой VirtualDubMod нужно вырезать пары соседних одиночных кадров
и сохранить как отдельные файлы в формате
windows.bmp. Затем с помощью графического
редактора, позволяющего работать со слоями
изображения (например, GIMP-2), следует создать изображение с двумя слоями – один с изображением струи из одного кадра, другой с изображением из второго кадра, и верхнему слою
задать прозрачность 50 %.
При перемещении курсора мыши по изображению в нижнем левом углу отображаются
координаты (X, Y) курсора. Разместив курсор
сначала на одной точке границы области прозрачности окон БПО и считав координаты этой
точки, затем на диаметрально противоположной, и снова считав координаты точки, рассчитываем диаметр d изображения области прозрачности. Если эти точки имеют одинаковую
Y-координату, то диаметр d изображения равен
разности X-координат. Отношение диаметра d
изображения к диаметру d области прозрачности окон дает масштаб изображения M  d  d .
После этих измерений, увеличивая на одинаковую величину контраст обоих слоев (и при
необходимости корректируя их яркость), доби-
ваемся наиболее четкой границы фронта струи
на обоих слоях. Расстояния между границами
на обоих слоях в направлении нормали к границе определяют смещение фронта за время
между регистрациями соседних кадров.
Необходимо провести измерения этих смещений и рассчитать соответствующие скорости
для точек пересечения с фронтом факела прямых, проведенных через центр форсунки с шагом 3 (это угол между соседними прямыми,
одна из этих прямых должна проходить по оси
симметрии струи). Скорость фронта вычисляется как произведение смещения фронта за
время между соседними кадрами и частоты
следования кадров. Для определения смещения
s данной точки фронта факела измеряются координаты (X1,Y1) курсора в точке пересечения
отсчетной прямой с первым изображением
фронта факела, затем координаты (X2,Y2) курсора в точке пересечения отсчетной прямой со
вторым изображением фронта. Скорость фронта определяется по формуле
  s   X 2  X 1   Y2  Y1 
,
(1)
w1 

M
M
где в числителе дроби произведение частоты
съемки  и смещения изображения s, которое,
после деления на масштаб M, дает смещение
самого фронта.
Математическая модель распыленной топливной струи. Объект представляется в форме
усеченного конуса с тангенсом половинного
угла раскрытия tg  0,5d 0 h , движущегося
вдоль оси с неизменным углом раствора (рис. 2).
Вершина конуса располагается внутри соплового канала диаметром d 0 в точке с координатой h , а начало координат на оси факела – на
2
2
66
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
срезе сопла. Для численных расчетов динамики
топливной струи можно использовать упрощенную однозонную модель, которая предполагает ее описание как материальной точки переменной массы [4].
Координата центра масс Z описывается как
Z   m f Z f  K air mair Z air  mф ,
(2)
где mф  m f  K air mair – масса струи (факела);
mf – масса топлива (капель); mair– масса воздуха
внутри геометрического объема усеченного конуса; Кair– коэффициент массы вовлеченного
в движение воздуха; Zf , Zair – координаты центра масс топлива и вовлеченного воздуха соответственно.
Рис. 2. Топливная струя в однозонном представлении
Система динамики струи до момента отрыва от сопла ( 0  t   ), включает уравнения:
– координаты и скорости центра масс
dZ
(3)
W ,
dt
d 0 KW 2 
z1 
dW

 z1 

dt
Vф
2h0 

(4)
2

Kair air S0W 
w02
z1  
 R  1

 R w0  1   w1  ,
mф
W

 h0  
– координаты и скорости фронта
dz1
(5)
 w1 ,
dt
w1  f 0 W , Z , z1 , t  ,
(6)
– текущего объема и массы топливной струи

z
z2 
Vф  S0 z1 1  1  1 2  ,
 h0 3h0 
mф  S0 K air air Vф S0  R w0t  .
(7)
(8)
Здесь S0  d 02 4 – площадь сечения сопла
форсунки; w0 – скорость истекающей из сопла
струи топлива; air ,  f – плотность воздуха
и жидкого топлива соответственно; K – коэффициент потери импульса топливной струи
(на трение с окружающим газом), R 
 f
 K air air   1 – параметр плотностей.
Уравнение (1) для координаты центра масс
запишется как
 1 2z
wt
w0 t 
z2 
z1   1  1 2   R 0  1 

2 3h0 4 h0 
3 
w0 t  z1 

. (9)
Z
w0 t
z1
z12
1   2  R
h0 3h0
z1
В системе (3)–(8) уравнение (6) получается
дифференцированием уравнения (9) по времени
t (из-за громоздкости здесь не приводится).
Система динамики струи после момента
отрыва от сопла (t > τ), включает уравнения:
– координаты и скорости центра масс
dZ
W ,
(10)
dt

z2 
z1  
dW d 0 K W 2  

 z2  1 
  z1  1 
 
dt
Vф
2h0 
 2 h0  
 
(11)
2
2


K air air S 0W 
z2 
z1 
 1   w2   1   w1  ,

mф
h0 


 h0 
– координаты и скорости фронта
dz1
 w1 ,
(12)
dt
w1  f  W , w2 , Z , z1 , z2 , t  ,
(13)
– координаты и скорости задней границы
dz2
(14)
 w2 ,
dt
w2  W ,
(15)
– текущей массы и объема топливной струи
mф  S0 K air air Vф S0  R w0   .
(16)
Sh
Vф  0 0
3
3
3

z1  
z2  
 1     1    ,
 h0   h0  
(17)
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Уравнение (1) для координаты центра масс
запишется как
 2  1 2 z1 z12  2  1 2 z2
z22  






z
z
 1
2 
2 
2  
 2 3h0 4h0  
  2 3h0 4h0 


2


  R w0   z  z   w0   z2  z1  z2 

  3  1 2

w0   z1  z2 
Z
.

 z2 z22 
z1 z12 
z1 1   2   z2 1   2   R w0 
 h0 3h0 
 h0 3h0 
(18)
67
В системе (10)-(17) уравнение (13) получается дифференцированием уравнения (18) по
времени t (из-за громоздкости здесь не приводится).
На рис. 3 представлены результаты численного моделирования динамики распыленной
топливной струи дизеля с системой топливоподачи повышенного давления типа Common Rail
(CR) по уравнениям модели (3)-(8) и (10)-(17)
с использованием программы «Расчет динамики изотермического дизельного факела
(TORCH_izotermal)» [5].
Рис. 3. Зависимость динамики переднего фронта топливного факела от времени
при впрыске с противодавлением 6 МПа при давлении впрыска топлива рВПР:
1 – 60, 2 – 100, 3 – 140 и 4 – 180 МПа
На основе методик оптической диагностики
распыленной топливной струи и разработанной
математической модели проводятся исследования по оптимизации рабочего процесса дизелей. В том числе, расчетно-экспериментальные
результаты позволяют решать вопросы согласования параметров топливной струи дизеля
с геометрией камеры сгорания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Крупский, М. Г. Расчет геометрических параметров
струи топлива при впрыске в камеру сгорания дизеля /
М. Г. Крупский, В. Ю. Рудаков // Двигателестроение. –
2008. - № 1(231). - С. 24–25.
2. Рудаков, В. Ю. Особенности развития топливной
струи при двухфазном впрыске / В. Ю. Рудаков // Двигателестроение. - 2011. - № 1(243). – С. 9–11.
3. 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.
4. 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.
5. 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; заявл.
27.09.2011 г.; зарегистр. 18.11.2011 г.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа