CC BY
30
УДК 621.431
С.С. Ананьев1, С.И. Ананьев2, К.А. Дегтярева2
КАЧЕСТВО РАСПЫЛИВАНИЯ ТОПЛИВА ВИНТОВЫМИ ФОРСУНКАМИ
1НОВОЧЕРКАССКИЙ ИНЖЕНЕРНО-МЕЛИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ А.К. КОРТУНОВА -ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ», НОВОЧЕРКАССК, РОССИЯ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕБЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (НПИ) ИМЕНИ М.И. ПЛАТОВА», НОВОЧЕРКАССК, РОССИЯ
S.S. Ananiev1, S.I. Ananyev2, K.A. Degtyareva3 QUALITY OF FUEL PULVERISATION BY THE SCREW SPRAY JET 1NOVOCHERKASSK ENGINEERING AND AMELIORATIVE INSTITUTE OF A. K. KORTUNOV NAME OF THE FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION of HIGHER EDUCATION «DON STATE
AGRARIAN UNIVERSITY», NOVOCHERKASSK, RUSSIA 2FEDERALSTATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «M.I. PLATOV SOUTH-RUSSIAN STATE POLYTECHNIC UNIVERSITY (NPI)», NOVOCHERKASSK, RUSSIA
Ананьев Сергей Сергеевич
Ananiev Sergey Sergeevich кандидат технических наук, доцент annser69@mail.ru
Ананьев Сергей Иванович
Ananiev Sergey Ivanovich кандидат технических наук, профессор a_serg2000@mail.ru
Дегтярева Карина Александровна
Degtyareva Karina Aleksandrovna кандидат технических наук karina.degtyareva.2014@mail.ru
Аннотация. В статье приведен обзор существующих конструкций гидромеханических и электромагнитных форсунок, применяемых для инжекторного впрыска топлива в автомобильных поршневых двигателях внутреннего сгорания. Приведена модель опытной форсунки. Рассмотрены экспериментальные исследования мелкости струи распыленного топлива, вытекающей из сопла модели опытной винтовой форсунки, состоящей из корпуса и винтового вкладыша с четырьмя винтовыми канавками, расположенными под разными углами. Представлена экспериментальная установка, состоящая из топливного насоса высокого давления, гидроаккумулятора и воздушной камеры, позволяющей выполнять одиночные впрыски топлива опытной винтовой форсункой при различном давлении впрыска и противодавления в воздушной камере. Приведены результаты обработки экспериментальных исследований для различных условий давления впрыска, позволяющих выявить влияние основных геометрических параметров опытной форсунки на средний арифметический диаметр капель распыленного топлива. Получены критериальные зависимости, позволяющие рационально подбирать конструктивные параметры форсунки для определенных давлений подачи топлива и противодавлений в воздушной камере, что позволит сократить этапы конструирования таких форсунок для систем впрыска топлива во впускной коллектор или в цилиндры поршневого двигателя.
Ключевые слова: винтовая форсунка; сопло; давление впрыска топлива; геометрические параметры; средний арифметический диаметр капель; критерий; дисперсность; струя топлива.
Abstract. The paper provides an overview of existing designs of hy-dromechanical and electromagnetic screw spray jet used for injector fuel spray in automotive piston internal combustion engines. The model of the pilot nozzle is shown. Experimental investigations of fine jet of sprayed fuel flowing from model nozzle of pilot screw nozzle consisting of housing and screw insert with four screw grooves located at different angles are considered. Proposed experimental plant consists of high-pressure fuel pump, hydraulic accumulator and air chamber to perform single fuel injections by a pilot screw injector at different injection pressure and back pressure in the air chamber. The results of the experimental studies processing for individual injection pressure conditions allowing to detect influence of main geometrical parameters of pilot injector on average arithmetic diameter of sprayed fuel droplets, are given. Criterion dependencies are obtained, which allow rational selection of design parameters of the nozzle for certain pressures of fuel supply and back pressures in the air chamber. This will reduce the design steps of such nozzles for the fuel injection systems into the intake manifold or piston engine cylinders.
Keywords: screw spray jet; nozzle; fuel injection pressure; geometric parameters; arithmetic average diameter of the droplets; criterion; dispersion; fuel jet.
Введение. При исследованиях рабочего цикла современных поршневых двигателей большое внимание уделяется вопросам смесеобразования. От того, какой распыл струи, вытекающий из сопла форсунки, мы получим, зависит скорость образования горючей смеси и качество ее сгорания. Основным показателем качества распыливания топлива
является дисперсность распыливания, которая оценивается средним арифметическим диаметром капель. Дисперсность распыливания топлива форсункой зависит от целого ряда конструктивных и эксплуатационных факторов (конструкции форсунок, режимов ее работы, противодавления среды и т. д.). В современных двигателях внутреннего сго-
Вестник Курганской ГСХА № 1, 2020 Таашческие науш 49
рания, в качестве распыливающих устройств, применяются форсунки.
Форсунка является главным устройством в любой системе впрыска топлива. Главная задача форсунки - распыливать топливо на мелкие капли во впускном трубопроводе или непосредственно в цилиндрах двигателя. Форсунки бензиновых и дизельных двигателей по принципу действия и устройству выполняют одинаковые функции, но по конструкции это совершенно разные устройства. В данной статье мы коснемся винтовых форсунок бензиновых двигателей.
Методика. По конструктивному устройству форсунки впрыска бензина подразделяют на гидромеханические, электромагнитные, магнитоэлектрические и электрогидравлические [1]. В современных системах впрыска бензина используются в основном первые два вида.
По назначению в системе впрыска форсунки бывают пусковыми и рабочими. Рабочие форсунки делят на два вида: центральные форсунки для одноточечного импульсного впрыска и клапанные форсунки для впрыска топлива с распределением по цилиндрам. Форсунки впрыска бензина изготавливаются под каждый тип двигателя индивидуально, т.е. форсунки впрыска не унифицируются и, как правило, не могут переставляться с одного типа двигателя на другой.
Рассмотрим подробней конструкцию гидромеханических форсунок. Они бывают открытого и закрытого типов. Типы форсунок приведены на рисунке 1.
а - форсунка со сферическим запорным клапаном; 6 - форсунка с дисковым клапаном; в - форсунка со штифтовым (игольчатым) клапаном; г - модель электромагнитной форсунки; 1 - сапун; 2 - корпус; 3 - шток (подвижный стержень) запорного клапана; 4 - уплотнительное кольцо; 5 - входной штуцер; б - рабочая клапанная полость; 7 - прямоточное распылительное сопло; 8 - конусное распылительное сопло; 9 - сопло с турбулентной полостью;10 - возвратная пружина; 11 - обмотка катушки соленоида; 12 - магнитопровод соленоида.
Рисунок 1- Конструктивное исполнение форсунок
Такие форсунки не имеют электрического управления. Они открываются под напором бензина, а закрываются возвратной пружиной.
По конструкции закрытые форсунки могут различаться устройством запорного клапана и способом крепления в литом корпусе впускного коллектора. По типу запорного устройства закрытые форсунки подразделяют на форсунки со сферическим, дисковым и штифтовым клапаном; по способу крепления - на вставные и резьбовые (рисунок 1).
Закрытые форсунки в дозировании топлива участия не принимают. Их главная функция - распылять бензин на горячие впускные клапаны двигателя. При этом распыленные частицы бензина переходят в парообразное состояние, а впускной клапан охлаждается [2,3]. Чтобы не было соприкосновения струи бензина со стенками предклапанной зоны, форсунка по отношению к клапану устанавливается по строго заданной геометрии (рисунок 2).
1 - впускной коллектор; 2 - форсунка впрыска бензина;
3 - прокладка; 4 - впускной клапан; 5 - предклапанная зона в головке блока цилиндров ДВС; 6 - камера сгорания.
Рисунок 2 - Установка форсунки в предклапанную зону впускного коллектора
Цикловая подача топлива в механической системе впрыска регулируется топливным насосом.
Что касается качества распыливания топлива такими форсунками, то обзор литературы по этому вопросу не дал существенных результатов. От качества распыливания топлива, среднего арифметического диаметра капель в факеле топлива зависит его испаряемость и образование горючей (рабочей) смеси в цилиндрах двигателя.
В лаборатории кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Российского технического университета были проведены исследования механических винтовых форсунок для систем впрыска бензина автомобильных двигателей. При этом исследовалось влияние на дисперсионные харак-
теристики закрученной струи топлива, выходящей из сопла форсунки.
Результаты. Конструкция форсунки состояла (рисунок 3) из сопла 1, винтового вкладыша 2, шарикового клапана с пружиной 3 и корпуса 4. Винтовые вкладыши устанавливались в корпусе форсунки и были однозаходными или четырехзаходными. Вихревая камера закручивания струи топлива переменного объема.
В современных автотракторных дизельных двигателях в качестве распыливающих устройств применяются в основном струйные форсунки, обеспечивающие качественное дробление топлива при давлениях впрыска 0,1-3,0 МПа. Такие распылива-ющие устройства имеют достаточно высокую стоимость изготовления и сложны в эксплуатации. При анализе многих работ [4,5,6,7,8,9,10], в которых рассматривались вопросы мелкости распылива-ния топлива винтовой (центробежной) форсункой, были установлены критерии, оценивающие распы-ливание. В качестве искомой величины при определении размеров капель было выбрано отношение среднего диаметра капли к диаметру прожимного отверстия сопла.
Анализ полученной зависимости показал, что из всех геометрических факторов на мелкость рас-пыливания струи заметно влияет только величина А.
Установка для проведения исследований представлена на рисунке 4.
Рисунок 3 - Винтовая форсунка Полученная зависимость имела вид:
где dk - средний диаметр капель; do - диаметр сопла;
А - геометрическая характеристика форсунки;
D - диаметр камеры закручивания;
ц2/ркай0 - критерий распыливания;
Рж, Р0— плотность топлива и газа;
Rеж - число Рейнольдса;
Н - высота камеры закручивания.
Рисунок 4 - Схема экспериментальной установки
Вестник Курганской ГСХА № 1, 2020 -Госш^жш ^уш 51
Топливо из расходного бака 11 ёмкостью 20 л самотеком поступало к топливному насосу высокого давления 17.
После предварительной очистки в фильтрах 12 и 13 топливо нагнеталось насосом 17 в специальный гидроаккумулятор 14 для поддержания необходимого давления подачи и гашений пульсаций. В гидроаккумуляторе давление измерялось обычным манометром 15, класса точности 1,5, имеющим пределы измерения от 0 до 6 МПа ценой деления 0,05 МПа.
Из гидроаккумулятора 14 топливо поступало в перепускную форсунку 10, через которую часть топлива перепускалось к опытной винтовой форсунке 6.
Перепускная форсунка позволяла устанавливать необходимое давление впрыска в экспериментальной форсунке, а при отключении её электромагнитным клапаном 9 всё топливо перепускалось в расходный бак, что позволяло не производить остановку топливного насоса 17. Опытная форсунка устанавливалась в крышке 8 воздушной камеры 21.
Воздушная камера представляла собой стальной цилиндр с внутренним диаметром 250 мм и высотой 800 мм. С одной стороны камера закрывалась массивной крышкой 8. Внутри камеры около экспериментальной форсунки помещалось устройство единичного впрыска 7, представляющее собой шторку для отсечения струи и электромагнитный клапан 2.
Сопловое отверстие форсунки находилось в непосредственной близости от шторного устройства, поэтому струя не распыливалась, а прижимала шторку к гнезду при соударении с ней, а затем стекала по отводным трубкам и стенкам воздушной камеры в её нижнюю часть.
Внутренний объём воздушной камеры мог заполняться сжатым воздухом от компрессора 24 для имитации противодавления, как в камере сгорания двигателя.
Для освобождения воздушной камеры от топлива применялся центробежный насос 19, который перекачивал топливо обратно в расходный бак.
Модель опытной форсунки представляла собой открытую однодырчатую винтовую форсунку со сменными соплами 5 и вкладышами с винтовой нарезкой 4 (рисунок 5). Форсунка состояла из верхнего и нижнего корпусов 1,2; бронзовых винтовых сменных вкладышей 4, сменных сопел с различными диаметрами 5.
Рисунок 5 - Модель опытной форсунки
Параметры опытной винтовой форсунки варьировались в следующих пределах:
1. Угол наклона винтовой канавки вкладыша в = 24°-60°;
2. Диаметр соплового отверстия dс = 0,2-0,9 мм;
3. Диаметр камеры закручивания DК = 4,5-15 мм;
4. Длина камеры закручивания Цк= 8-24 мм;
5. Ширина винтовой канавки вкладыша а= 0,4-0,8 мм;
6. Длина вкладыша ЦВ = 4-10 мм;
7. Угол соплового отверстия а = 20°-160°;
8. Противодавление в воздушной камере р2= 0,1-1,2 МПа;
9. Положение экспериментальной ячейки от среза сопла х = 165-400 мм.
В опытах изменялось давление впрыска в диапазоне от 0,1-3,0 МПа. При проведении экспериментов использовался метод улавливания капель мелкораспыленного топлива на закопченные стеклянные пластинки, покрытые сверху белым слоем окиси магния.
Экспериментальные исследования показали, что струя распыленного топлива, выходящая из сопла винтовой форсунки, состоит из очень большого количества капель различных размеров.
В результате обработки всех экспериментальных данных количественные зависимости среднего арифметического диаметра капель распыленного топлива можно представить в следующем виде:
- область низких противодавлений в воздушной камере;
- область средних противодавлений в воздушной камере;
Полученные зависимости имеют место быть при следующих значениях обобщенных параметров:
Выводы. Анализируя полученные критериальные уравнения зависимости среднего арифметического диаметра капель от различных геометрических параметров исследованной винтовой форсунки, можно сделать вывод, что приведенные зависимости позволяют определить диаметр капель, участвующих в смесеобразовании в цилиндре двигателя, наметить рациональные пути конструирования таких форсунок и сократить сроки их изготовления и применения в системах впрыска бензина.
Список литературы
1 Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960. 715 с.
2 Хавкин Ю.И. Центробежные форсунки. Л.: Машиностроение, 1968. 168 с.
3 Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978. 736 с.
4 ТауЬт G. The Mechanics of Swirl Atomizers. Proceedings of the Seventh International Congress for Applied Mechanics. London. 1948. vol. 2, pt. 1, pp. 280-285.
5 Дитякин Ю.Ф., Клячко Л.А., Новиков Б.В., Ягодкин В.И. Распыливание жидкостей. М.: Машиностроение, 1977. 208 с.
6 Витман Л.А., Кацнельсон Б.Д., Палеев И.И. Распыливание жидкости форсунками. М.: Госэнерго-издат, 1962. 265 с.
7 Лышевский А.С. Распыливание топлива в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1971. 246 с.
8 Пажи Д.Г., Галустов В.С. Распыливание жидкостей. М.: Химия, 1979. 214 с.
9 Кутовой В.А. Впрыск топлива в дизелях. М.: Машиностроение, 1981. 120 с.
10 Шатров М.Г. Автомобильные двигатели. М.: Изд. центр «Академия», 2011. 462 с.
List of references
1 Abramovich G.N. Theory of turbulent jets. M .: Fizmatgiz, 1960. 715 p.
2 Havkin Yu.I. Centrifugal nozzles. L.: Mechanical engineering, 1968. 168 p.
3 Loytsyansky L.G. Mechanics of liquid and gas. M.: Science, 1978. 736 p.
4 Тау^ G. The Mechanics of Swirl Atomizers. Proceedings of the Seventh International Congress for Applied Mechanics. London. 1948. vol. 2, pt. 1, pp. 280-285.
5 Dityakin Yu.F., Klachko L.A., Novikov B.V. Ya-godkin V.I. Spraying liquids. M.: Mechanical engineering, 1977. 208 p.
6 Witman L.A., Katznelson B.D., Paleev I.I. Liquid Spraying by the Fort Sunks. M.: Gosenergoizdat, 1962. 265 p.
7 Lyshevsky A.S. Spraying fuel in ship 's diesel engines. L.: Sudstroyeniye, 1971. 246 p.
8 Paji D.G., Galustov V.S. Spraying liquids. M.: Chemistry, 1979. 214 p.
9 Kutovoy V. A. Fuel injection in diesel engines. M.: Mechanical engineering, 1981. 120 p.
10 Shatrov M.G. Automobile engines. M.: Prod. Akademiya center, 2011. 462 p.
