CC BY
17
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACTINE BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING
УДК 621.431 DOI: 10.17213/1560-3644-2020-1-45-49
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВИНТОВОЙ ФОРСУНКИ ПО ДИСПЕРСИОННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ФАКЕЛА РАСПЫЛЕННОГО ТОПЛИВА
© 2020 г. С.И. Ананьев1, В.А. Брагинец1, С.С. Ананьев2, И.А. Симоненко1, В.В. Пашко1
1Южно-Российский государственный политехнический университет(НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия, 2Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова, г. Новочеркасск, Россия
CALCULATION PROCEDURE FOR SCREW INJECTOR PARAMETERS BY DISPERSION CHARACTERISTICS OF THE SPRAYED FUEL TORCH
S.I. Ananyev1, V.A. Braginets1, S.S. Ananyev2, I.A. Simonenko1, V.V. Pashko1
1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2Novocherkassk Reclamation Engineering Institute Named After A.K. Kortunova, Novocherkassk, Russia
Ананьев Сергей Иванович - канд. техн. наук, профессор, кафедра «Автомобили и транспортно-технологические комплексы», Южно-Российский политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Брагинец Владимир Алексеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автомобили и транспортно-технологические комплексы», Южно-Российский политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Ананьев Сергей Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Машины природообустройства», Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова, г. Новочеркасск, Россия.
Симоненко Игорь Александрович - ст. преподаватель, кафедра «Автомобили и транспортно-технологические комплексы», Южно-Российский политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Пашко Владислав Владимирович - студент, кафедра «Автомобили и транспортно-технологические комплексы», ЮжноРоссийский политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Ananyev Sergey I. - Candidate of Technical Science, Professor, Department «Automobiles and Transport-Technological Complexes», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Braginets Vladimir A. - Candidate of Technical Science, Associate Professor, Department «Automobiles and Transport-Technological Complexes», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Ananyev Sergey S. - Candidate of Technical Science, Associate Professor, Department «Environmental Engineering Machinery», Novocherkassk Reclamation Engineering Institute Named After A.K. Kortunova, Novocherkassk, Russia.
Simonenko Igor A. - Senior Lecturer, Department «Automobiles and Transportation Technology Complexes», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Pashko Vladislav V. - Student, Department «Automobiles and Transport-Technological Complexes», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования струи распыленного топлива, вытекающей из сопла модели винтовой форсунки. Представлена экспериментальная установка по исследованию мелкости струи распыленного топлива и модель опытной винтовой форсунки с переменными вставными вкладышами. Определены критерии влияния основных геометрических параметров форсунки при распыли-вании струи топлива на средний арифметический диаметр капель при различных давлениях впрыска топлива. В результате обработки экспериментальных исследований получена критериальная зависимость влияния параметров форсунки на средний диаметр капель распыленного топлива, позволяющая производить расчет конструктивных параметров форсунки при ее проектировании. Это существенно сократит сроки проектирования форсунок и их внедрение в системах впрыска топлива.
Ключевые слова: форсунка; сопло; геометрические параметры; средний арифметический диаметр капель; дисперсность; струя топлива; уравнения расчета форсунки.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
Theoretical and experimental studies of the atomized fuel jet flowing from the nozzle of a screw nozzle model have been carried out. An experimental setup for studying the fineness of a spray of sprayed fuel and a model of an experimental screw nozzle with variable plug-in liners are presented. The criteria for the influence of the main geometric parameters of the nozzle during atomization of the fuel jet on the arithmetic mean diameter of the droplets at various fuel injection pressures are determined. As a result of the processing of experimental studies, a criterial dependence of the influence of the nozzle parameters on the average diameter of the droplets of atomized fuel is obtained, which allows calculating the design parameters of the nozzle during its design. This will significantly reduce the time for the design of injectors and their implementation in fuel injection systems.
Keywords: nozzle; geometric parameters; arithmetic mean diameter of the droplets; dispersion; jet of fuel; nozzle calculation equations.
Введение
В современных двигателях внутреннего сгорания при формировании факела распыленного топлива, и подачи его в камеру сгорания двигателя, применяются форсунки. Основным показателем качества распыливания топлива и образования смеси является мелкость распыливания, характеризующаяся средним арифметическим диаметром капель. Мелкость распыливания зависит от целого ряда конструктивных и эксплуатационных факторов (конструкция и параметры форсунки, режимы ее работы, противодавление среды и др.) [1].
В дизельных двигателях, в качестве рас-пыливающих устройств применяются в основном струйные форсунки, обеспечивающие качественное дробление струи топлива на капли при сравнительно высоких давлениях топливоподачи (12 - 30 МПа) [2]. В связи с наличием в конструкции форсунки прецизионных деталей, стоимость изготовления таких форсунок велика.
Улучшение мелкости распыливания топлива, особенно при малых давлениях топливопо-дачи (0,4 - 1,0 МПа) для бензиновых двигателей с распределенным впрыскиванием, может быть обеспечена с применением винтовых форсунок, увеличивающих интенсивность закручивания топлива в камере перед сопловым каналом.
Вопросы теоретического и экспериментального исследования подобных форсунок посвящен целый ряд работ Г.Н. Абрамовича, Л.Д. Бермана, М.В. Лыкова, Л.А. Витман, Ю.Ф. Дитякина, Л.А. Клячко, Б.Д. Канцельсона, А.С. Лышевского, В.А. Кутового и других.
Подробный анализ работ по этим вопросам показывает, что до настоящего времени остаются не исследованы вопросы дисперсности топлива с закрученными струями. Вместе с тем возможности оценки среднего арифметического диаметра капель распыленной струи жидкого топлива, в зависимости от конструктивных и режимных параметров винтовой форсунки, и разработка
методики ее расчета сделали бы труд конструкторов топливной аппаратуры более рациональным и эффективным.
В данной статье приводятся результаты исследований моделей винтовых форсунок. Работа проводилась на кафедре «Автомобили и транс-портно-технологические комплексы» ЮжноРоссийского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова.
Исследования
При теоретическом исследовании распада струи топлива, вытекающей из сопла винтовой форсунки, может образовываться жидкая топливная пленка, имеющая форму полых конусообразных поверхностей переменной толщины. В связи с этим была рассмотрена задача о распаде осесимметричной закрученной конусообразной полой пленки невесомой жидкости, имеющей переменную по потоку толщину и истекающей из сопла в бесконечной стенке (рис. 1).
i
©
\® eft
\ °
Рис. 1. Схема истечения жидкости из сопла винтовой форсунки / Fig. 1. Scheme of fluid flow from the nozzle of a screw nozzle
Для этого взяли сферическую систему координат X, Y, Z таким образом, чтобы ее полярная ось Z совпадала с осью симметрии пленки. Здесь r - радиус-вектор; r - его модуль; в - угол между радиусом-вектором и полярной осью; ф - угол долготы. Положение полюса (точка О)
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
определяется средним углом, который можно назвать раствором пленки. Величина этого угла зависит от интенсивности закрутки пленки в винтовом канале.
Как показывают исследование ряда авторов [3], толщина пленки 25, вытекающая из сопла форсунки, - величина переменная и сравнительно малая, поэтому с достаточной точностью можно считать, что 5 = (гс - г) /2соб60.
Используя общие формы уравнения движения гидродинамических частиц сплошной среды, уравнения сплошности, соотношения обобщенной гипотезы Ньютона и компонентов вектора-вихря, записанных в сферической системе координат, принимая граничные условия в результате решений получили зависимость среднего арифметического диаметра капель от критерия Вебера:
= 124п•г •2•51п95 .же"0<33.
к V 2 • Г • (п +1) е
Анализ выражения показал, что количественное влияние критерия Вебера на распад жидкости в закрученных струях определяется показателем степени, равным ( - 0,33).
В технической литературе [4, 5] имеются результаты обработки измерений размеров среднеарифметических диаметров капель при распы-ливании жидкостей центробежными форсунками. Результаты этих исследований представлены в виде критериальных зависимостей. Естественно, каждая из этих зависимостей получена для определенного диапазона изменения переменных параметров и экстраполяция за пределы указанных диапазонов не допустима. Однако сопоставительная оценка показателя критерия Вебера на размер капель, полученная нами, удовлетворяет.
Из технической литературы [6 - 8] известно, что для закрученных струй распыленной жидкости средний арифметический диаметр капли йк является функциональной зависимостью целого ряда критериев. Приведем некоторые из них:
- критерий Вебера Wе = Урйс/ о,
где У - скорость жидкости при выходе из сопла распылителя; р - плотность жидкости; йс - диаметр соплового отверстия; о - коэффициент поверхностного натяжения жидкости;
- критерий распыливания М = ц2/р йс о;
- критерий относительной плотности р=р1/р2, где р2 = ро Р2 То/Ро Т2 - плотность среды, в которую осуществляется впрыск;
- критерий интенсивности закрутки топлива на срезе сопла Уе = Л/СсоБб/йсИк/в,
где D - расстояние между осями диаметрально противоположных винтовых канавок; 0 - угол наклона винтовой канавки; /в - площадь сечения винтовой канавки; nK - количество винтовых канавок; а - ширина винтовой канавки вкладыша; / - площадь соплового отверстия; dc - диаметр сопла.
Задача экспериментальных исследований заключалась в подтверждении результатов теоретических исследований, а также влиянии других геометрических параметров винтовой форсунки на средний диаметр капель распыленного топлива.
В общем виде эту зависимость можно представить как функциональное соотношение между средним диаметром капель и геометрическими параметрами форсунки:
dk/dc =/[We, Ve, ¡в Пв//в, ¡JDk, Dk/dc, lc/dc, Ik/dk, x/do, sin (a/2), M, p].
Для выявления степени влияния приведенных критериев, были проведены экспериментальные исследования. С этой целью была сконструирована модель винтовой форсунки со сменными винтовыми вкладышами, которые имели различные винтовые канавки, их число, угол наклона винтовых канавок и другие параметры [9]. Модель форсунки представлена на рис. 2.
М12 1,5
т
1
" I I *
Рис. 2. Модель опытной форсунки: 1 - гайка верхней части корпуса форсунки; 2 - нижняя часть корпуса; 3 - втулка; 4 - винтовой вкладыш; 5 - съемное сопло форсунки / Fig. 2. Model of an experimental nozzle: 1 - upper part of the nozzle body; 2 - the lower part of the body; 3 - sleeve; 4 - screw insert; 5 - removable nozzle
Для проведения экспериментальных исследований была разработана экспериментальная установка, которая представлена на рис. 3.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
~220 в
Рис. 3. Схема экспериментальной установки / Fig. 3. Scheme of the experimental setup
Работа экспериментальной установки осуществлялась следующим образом. Топливо из расходного бака 11 ёмкостью 20 л самотёком поступало к топливному насосу высокого давления 17, приводимого электродвгателем 16. 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 аккумулятора 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. Напряжение в электрической сети привода установки контролировалось вольтметром 1.
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. Давление впрыска форсунки измерялось манометром 5.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
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 с электродвигателем 23 для имитации противодавления, как в камере сгорания двигателя. Воздух в воздушную камеру 8 нагнетался через трехходовой кран 3, давление в камере измерялось манометром 4.
Для освобождения воздушной камеры от топлива применялся центробежный насос 19 с электродвигателем 18, который перекачивал топливо обратно в расходный бак.
Для улавливания капель применялись закопченные стеклянные пластинки, покрытые слоем белой окиси магния [10]. Они устанавливались в воздушной камере на подставке 20 и определенном расстоянии от сопла форсунки. Осуществлялся впрыск топлива исследуемой форсункой. После проведения впрыска пластинки с отпечатками капель вынимались из воздушной камеры, делались фото отпечатков капель и их подсчет по среднему диаметру.
Опыты проводились на дизельном топливе.
Параметры опытной винтовой форсунки варьировались в следующих пределах:
1) угол наклона винтовой канавки вкладыша в = 24° - 60°; шаг - 1 мм;
2) диаметр соплового отверстия dc = 0,2- 0,9 мм; шаг - 0,1 мм;
3) диаметр камеры закручивания DK= 4,5- 15 мм; шаг - 2 мм;
4) длина камеры закручивания L = 8 - 24 мм; шаг - 4 мм;
5) ширина винтовой канавки вкладыша а = 0,4 - 0,8 мм, шаг - 0,2 мм;
6) длина вкладыша Lв= 4 - 10мм, шаг - 2 мм;
7) угол соплового отверстия а = 20° - 160°, шаг
- 20о;
8) противодавление в воздушной камере р2 = 0,1 - 1,2 МПа, шаг - 0,3 мм;
9) положение экспериментальной ячейки от среза сопла х = 165 - 400 мм.
В опытах изменялось давление впрыскивания в диапазоне 0,1 - 3,0 МПа.
Экспериментальные исследования показали, что струя распыленного топлива, выходящая из сопла винтовой форсунки, состоит из очень большого количества капель различных размеров.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
Результаты
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:
dk dc
= 0,0295 • W"0,33 • F"0'5 •
( l Л
0,1
v Dk у
fD A0'1 ( , \
V dc У
l
V dc У
-0,1
'Lп. •
/в
V J в У v Dk У
0,25
sin • M"0'17 • p0,28 ;
- область средних противодавлений в воздушной камере:
— = 0,124•Ю-3 •We~0'33 • Ve~0'5 dc
f, V» D
v Dk y
0,1
V c У
f, \
V dc У
-0,1
(l п ' ' Ч
1в /в
-1,0
V DkJ
sin^]0,25 • M-°'17 • p0,8.
Полученные зависимости имеют место быть при следующих значениях обобщенных параметров:
We= (4 * 50) -103;Ге= (0,35 * 8);-^ = (0,4 * 3,5);
Vк
^ = (20 * 100); = (2 * 10); М = (0,55 * 1,85) • 10"3;
/в
1в = (0,4 * 0,22); ^ = (5 * 37);81п а = (0,342 * 0,985).
D
Выводы
Полученные зависимости для определения значения среднего арифметического диаметра капель распыленного топлива винтовыми форсунками позволяют устанавливать значения их геометрических параметров, обеспечивающих необходимые дисперсионные характеристики струи распыленного топлива и тем самым осуществлять конструирование винтовых форсунок для применения в системах впрыскивания топлива на научной основе.
Литература
1. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Физма-тгиз, 1973. 847 с.
2. Кутовой В.А. Впрыск топлива в дизелях. М.: Машиностроение, 1981. 181 с.
3. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физма-тгиз, 1960. 715 с.
4. Тау1ог ТЪе mechanism of swirt atomiezers. Proc. 7-th Intern/ Cangr. for Applied Mechanics, London, 1948, vol. 2. Р. 280 - 285.
5. Дитякин Ю.Ф., Клячко Л.А., Новиков Б.В. [и Эр.]. Распы-ливание жидкостей. М.: Машиностроение, 1977. 208 с.
6. Витман Л.А. [и др.]. Распыливание жидкости форсунками. М. Л.: Госэнергоиздат, 1962. 262 с.
7. Лышевский А.С. Распыливание топлива в судовых дизелях. Л.: Судстроение, 1971. 246 с.
8. Гурлянд А.Д., Гробман Л.М., Рыженков П.Д., Спекторов Л.Г. Топливная аппаратура для впрыска бензина в двигатель МеМЗ - 968 // Тр. ЦНИТА. 1973. Вып. 58. С. 16 - 18.
9. Мичкин И.А. Вихревые форсунки. М.: Машиностроение, 1961. 71 с.
10. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Распыливание жидкостей. М.: Химия, 1979. 214 с.
х
х
c
х
References
1. Loitsyanskii L.G. Mekhanika zhidkosti i gaza [Mechanics of liquid and gas]. Moscow: Fizmatgiz, 1973, 847 p.
2. Kutovoi V.A. Vprysk topliva v dizelyakh [Fuel Injection in Diesel Engines]. Moscow: Mashinostroenie, 1981, 181p.
3. Abramovich G.N. Teoriya turbulentnykh strui [Theory of turbulent jets]. Moscow: Fizmatgiz, 1960, 715 p.
4. Taylor The mechanism of swirt atomiezers. Proc.7-th Intern/ Cangr. for Applied Mechanics, London,1948, vol. 2, Р. 280 - 285.
5. Dityakin Yu.F., Klyachko L.A., Novikov B.V et al. Raspylivanie zhidkostei [Spraying of liquids]. Moscow: Mashinostroenie,
1977, 208 p.
6. Vitman L.A. et al. Raspylivanie zhidkosti forsunkami [Spraying of liquid with nozzles]. Moscow. Leningrad: Gosudarstvennoe energeticheskoe izdatel'stvo, 1962. 262 p.
7. Lyshevskii A.S. Raspylivanie topliva v sudovykh dizelyakh [Spraying fuel in ship 's diesel engines]. Leningrad: Sudstroenie, 1971, 246 p.
8. Gurlyand A.D., Grobman L.M., Ryzhenkov P.D., Spektorov L.G. Toplivnaya apparatura dlya vpryska benzina v dvigatel' MeMZ-968 [Fuel equipment for injection of gasoline into the MeMZ engine - 968]. Tr.TsNITA, 1973, Issue 58, pp. 16 - 18. (In Russ.)
9. Michkin I.A. Vikhrevyeforsunki [Vortex nozzles]. Moscow: Mashinostroenie, 1961, 71 p.
10. Pazhi D.G., Galustov V.S. Raspylivanie zhidkostei [Spraying liquids]. Moscow: Khimiya, 1979, 214 р.
Поступила в редакцию /Receive 26 ноября 2019 г. /November 26, 2019
