МАШИНОСТРОЕНИЕ

Рост энерговооруженности всех отраслей промышленности, транспорта и сельского хозяйства нашей страны вызвал широкое развитие двигателестроения, в том числе и производства дизелей различных типов, в связи с чем проблема их совершенствования приобретает большое народнохозяйственное значение.

Отчетливо выраженная тенденция к решению задачи увеличения агрегатной мощности дизелей путем повышения среднего эффективного давления ре до 2 МПа и более связана с необходимостью увеличить в несколько раз цикловую подачу топлива в двигатель. При этом специальными мерами нужно организовать рабочий процесс так, чтобы максимальное давление процесса сгорания, скорость нарастания давления газов в цилиндре и продолжительность сгорания не превышали определенных величин.

Решение указанных проблем в большой степени зависит от соответствия процесса впрыска топлива рабочему процессу, происходящему в двигателях. В настоящее время создаются методы расчета рабочего процесса дизеля с учетом характеристики впрыска, спектра размеров капель, из которых состоит факел распыленного топлива, структуры и динамики развития этого факела в камере сгорания.

При оценке функций топливовпрыскивающей системы обычно исходят из того, что характеристика впрыска зависит от процессов, происходящих внутри топливной системы до выхода топлива из сопла, а мелкость распыливания топлива и распределение его по сечению факела определяются внешними по отношению к топливной системе условиями, зависящими от состояния среды, в которую происходит впрыск топлива.

Если рассматривать характеристику впрыска как закономерность изменения по времени расхода топлива через выходное сечение сопла, являющееся также начальным сечением топливного факела, то аналогичные характеристики можно получить и для других сечений факела. В этом случае характеристики распределения распыленного топлива зависят не только от исходной характеристики вцрыска для выходного сечения сопла, но и от параметров внешней среды. Таким образом, формирование структуры факела распыленного топлива связано с процессами, происходящими как внутри топливной системы, так и вне ее. Существует глубокая внутренняя

связь между процессами, протекающими внутри и вне топливной системы, а именно: между мелкостью распыливания топлива, распределением концентрации в факеле, его конфигурацией и характеристиками топливной системы, а также особенностями течения внутри сопловых каналов распылителя форсунки.

На основе теоретического анализа, подтвержденного экспериментальными исследованиями, можно изменять в желательном направлении параметры фэкела распыленного топлива воздействием на процесс течения топлива внутри форсунки и характеристики впрыска, а также совершенствовать эти характеристики. В последнее время во вспомогательных агрегатах дизельных установок все чаще применяют центробежные форсунки. Поэтому в данной работе освещены также особенности характеристик и этих распыли-вающих устройств.

РАСПЫЛИВАНИЕ ЖИДКОГО ТОПЛИВА

Стремление улучшить процесс впрыска топлива для совершенствования рабочего процесса дизелей привело к глубоким теоретическим и экспериментальным исследованиям закономерностей и причин, вызываюших распад струй жидкого топлива. Первое теоретическое исследование распада струи идеальной жидкости под воздействием колебаний, вызванных силами инерции и поверхностного натяжения при малых скоростях течения жидкости, было выполнено Рэлеем в 1878 г. Позднее в 1892 г, им была учтена вязкость жидкости.

В настоящее время такие исследования получили дальнейшее развитие [3, 23 и 29]. Характерной особенностью этого направления исследований является принятие постулата о том, что струя жидко-; сти, выходящая из сопла, является сплошной, а ее распад при всех скоростях истечения (в том числе и на режиме распыливання) происходит на некотором расстоянии от выходного отверстия распылителя.

По результатам большинства упомянутых исследований на процесс распада струи могут влиять факторы, воздействующие на поток, текущий внутри соплового канала распылителя. К ним относят форму сопла, входных и выходных его кромок, шероховатости внутренних стенок сопла и др. Однако при анализе процесса распа- да струи влияние этих факторов не рассматривалось.

Другое направление исследований основано на том, что распад струй определяется как процессами, происходящими в топливе во время протекания его в сопловом канале распылителя, так и последующим воздействием внешней среды. Наиболее четко это направление исследований сформулировано В. Я. Натанзоном (1932 г.), И. В. Астаховым (1937 г.) и И. И. Богдановичем (1948 г.) и продолжено другими исследователями [18, 24, 28]. Возмущения, возникающие в потоке топлива при течении его внутри распылителя форсунки, оказывают большое влияние на процесс распада струй. При малых скоростях течения жидкого топлива, когда возмущения в потоке невелики, из сопловых отверстий обычно вытекают сплошные нераспавшиеся струи. При скорости течения, превышающей определенное значение, струи, выходящие из сопловых отверстий, оказываются в распыленном состоянии. В соответствии с ГОСТ 10579-75 этот общеизвестный факт установлен в качестве

Рис. 1, Эскиз сопла с плавным входом

критерия, характеризующего нормальную работу форсунок в условиях эксплуатации [13].

Появление из соплового отверстия факела распыленного топлива можно o6bHCHHtb внутриканальным распадом

потока вследстви.е увеличения воздействия возмущений по мере повышения скорости течения. В отдельных случаях при исследовании специальных сопл (рис. 1) с плавным входом, конфузорным участком длиной более 30 калибров и малом угле конуса (около 13°), высоким качеством обработки стенок канала входного участка и самого сопла резко снижалось возмущение потока на входе сопла и удавалось получать сплошной участок струи после выхода ее из сопла даже при перепаде давлений свыше 100 МПа [26].

В случае плавного входа в трубу возмущения на входном участке могут оказаться настолько малыми [22], что критическое число Рейнольдса может достичь 5-10**. В сходящихся трубах (конфу-зорах) критическое число Re еще выше, чем в цилиндрических. Следует также подчеркнуть, что сопла такого типа в дизельные форсунках не применяются.

Академик А. И. Колмогоров, анализируя локальную структуру турбулентного потока жидкости, отделяет понятие собственно турбулентности как микрозавихренности, не зависящей от конфигурации канала, по которому течет жидкость, от понятия макрозавихренности, связанной с образованием крупных вихрей, возникающих в соответствии с условиями обтекания жидкостью долевого контура стенок канала.

Академик Л. Д. Ландау, отмечая, что турбулентное движение, являясь вихревым, при больших числах Re обнаруживает существенные особенности. При стационарном турбулентном обтекании тел в жидкости можно выделить две отделенные одна от другой области. В одной из них движение вихревое, в другой - ротор скорости отсутствует. В последнем случае движение потенциально и может быть описано уравнением Лапласа Аф = 0. Если предположить, что это движение периодично в плоскости у так, что ф связано

с X \i у посредством множителя вида е*-+*», то

Сумма вторых производных, в соответствии с исходным vo нением.

дх2 ду2

Следовательно, сопоставляя уравнения (2) и (3), находим

В этом случйе (р=/(г) будет определяться множителем вида е~* при 2>0. Так как возрастание множителя ограничено, то и: менение этого, множителя будет затухающим. Следовательно, движение, описываемое уравнением Дф = 0 и периодическое в некоторой плоскости (например, jc, у), должнобыть затухающим в направлении, перпендикулярном этой плоскости (в рассматриваемом случае вдоль оси г). Чем больше коэффициенты и йг. т. е. чем меньше период повторяемости движения в плоскости х, у, тем быстрее затухает движение вдоль оси г. Следовательно, вне области вихревого движения турбулентные пульсации должны затухать тем быстрее, чем меньше их масштаб, в результате чего вне этой области основное значение имеют крупномасштабные пульсации. Эти положения подтверждают точку зрения исследователей о зависимости процесса распада топливной струи от закономерности течения в распылителе.

Очевидно, что процесс распада струи на капли является одновременно и началом процесса образования факела распыленной жидкости.

Поскольку интенсивность вихреобразования в потоке зависит в основном от конфигурации распыливающего устройства, а также значений скорости в различных точках, непрерывно меняющейся по времени в двигателях с периодической подачей топлива, то необходимо учитывать оба эти фактора. Отметим, что первый определяется конструкцией распылителя, а второй - закономерностью протекания процесса подачи топлива в двигатель.

Практическая целесообразность проведения таких исследований основана на необходимости установления взаимосвязи между внут-риканальными процессами течения топлива и распадом струи и возможности формирования в требуемом направлении структуры факела распыленного топлива соответствующим изменением конструкции топливной аппаратуры и ее характеристик.

РАСПАД ТОПЛИВНЫХ СТРУЙ НА РЕЖИМЕ РАСПЫЛИВАНИЯ

Так как процесс распыливания топлива тесно связан с закономерностями его течения внутри соплового канала распылителя, то необходимо рассмотреть особенности этого течения, установить причины возникновения возмущений, а также выявить закономерности внутрнканального распада топливных струй.

ПРОЦЕСС ТЕЧЕНИЯ ТОПЛИВА В СОПЛОВОМ КАНАЛЕ

На основе закономерностей течения жидкости в трубах с резка изменяющимся сечением [11, 39] можно составить следующую схему процессов, происходящих при протекании топлива внутри сопло-

Рис. 2. Схема входа потока топлива в сопловой канал

вого канала распылителя форсунки. Поток, входящий в сопло- вой канал, сужается в попереч-

; ном сечении за входной кромкой

\ соплового канала вследствие от-

I рыва линий тока от стенки кана-

1 ла в результатеувеличения ра-/ диальной скорости, которое про-исходит при обтекании внешнего угла [22].

В зоне суженного сечения струи между стенкой соплового канала и струей топлива возникаетjK0JibiieB0Hj3HXj)b, который периодически срывается и уносится потоком к выходному отверстию сопла. Если определить величину радиального сжатия потока, то можно вычислить радиус вихря.

На рис. 2 показана схема входа потока в канал сопла диаметром dc. Допустим, что во входном сечении сопла диаметром расположен отрицательный источник (сток), в этом случае линии тока в пространстве перед входным отверстием будут проходить по радиусам полусферы, опирающейся на периметр соплового отверстия. Разложив скорость со на составляющие Vq и Vzy как показано на схеме (рис. 2, а), найдем

где р-угол вектора скорости Vq с осью канала сопла. Как следует из схемы (рис. 2, а),

sin ра cos

/ 2q \

У •*

zQdQdS,

где tz -осевая скорость течения тплпии-

канала сопла; е - расстояние от о координата по оси

плоскости. У в меридиональной

Подставим в эту формулу

получим

/ 2с

2Q 2

QdQdQ,