РАЗДЕЛ 2
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В
ФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЯХ
В первом разделе было показано, что для исследуемых дизелей наиболее
приспособлены неразделенные КС и многоструйное распыливание топлива,
обеспечивающие приемлемые технико-экономические показатели. Тем не менее, при
струйном способе смесеобразования в неразделенных КС неизбежно создаются зоны с
чрезмерной концентрацией топлива, в которых горение из-за недостатка кислорода
замедляется и протекает с образованием продуктов неполного сгорания, в том
числе сажевых частиц [86].
Обеспечение своевременного испарения и полного выгорания паров топлива требует
обеспечения в локальных зонах горения оптимальных воздушно-топливных отношений
[19, 31]. Для оценки влияния конструктивно-регулировочных и режимных параметров
дизеля, управляющих качеством процесса сгорания распыленного топлива,
необходимо адекватное математическое описание механизмов формирования, развития
и структуры ТС, микро - и макрораспределения топлива в струе и КС,
характеристик взаимодействия распыленного топлива с воздушным зарядом и
стенками КС, механизмов испарения и сгорания распыленного топлива, которое
может быть достигнуто только лишь на основании анализа и обобщения данных
специальных экспериментальных исследований.
В литературе имеются сведения о экспериментальных исследованиях впрыскивания,
смесеобразования и сгорания топлива, выполненных с помощью самых современных
методов скоростной фото - и кинорегистрации, лазерографирования, голографии, а
также специально разработанных авторами оригинальных методов и приборов для
изучения развития и структуры топливной струи. При выполнении диссертационного
исследования за основу были приняты результаты экспериментальных исследований
выполненных в ЦНИДИ, ЦНИТА, ГМТУ (С.-Петербург), ГТУ(С.-Петербург), МАДИ,
НТУ«ХПИ», и в других ведущих научных школах СНГ. Анализ опубликованных данных
показал, что пока нет единства у авторов известных моделей смесеобразования и
сгорания во взглядах на механизмы формирования и развития ТС, на наличие в
струе характерных зон и количественную оценку распределения масс топлива и
воздуха в этих зонах, на учет относительного движения частиц топлива и спутного
газа в струе, на методы учета тепло-массообмена между воздушным зарядом и
распыленным топливом, на механизмы испарения и выгорания распыленного топлива,
а также образования токсичных продуктов его сгорания.
Наиболее приспособленной для решения поставленной в данном исследовании задачи
является относительно простая математическая модель, разработанная профессором
Н.Ф.Разлейцевым [125] и усовершенствованная при выполнении диссертационного
исследования [69, 70, 85, 97]. Для обоснования принимаемых допущений и
упрощений при математическом описании физико-химических процессов
смесеобразования и сгорания приведем основные положения усовершенствованной
модели.
2.1. Феноменологическая модель смесеобразования и сгорания топлива в
форсированных дизелях
Впрыскивание топлива в форсированных дизелях характеризуется резким нарастанием
давления перед распылителем форсунки в начальной фазе топливоподачи,
значительными пульсациями давления и скорости истечения топлива из распылителя,
вызванными волновыми явлениями в каналах форсунки, большой скоростью и
длительностью впрыскивания увеличенных цикловых порций и сравнительно быстрым
падением давления после отсечки топлива в насосе. В связи с этим дизельная
струя в стесненных условиях КС претерпевает несколько характерных стадий своего
развития. Ниже на рис. 2.1 приведена структурная схема, поясняющая формирование
и развитие свободной ТС (без учета ее взаимодействия со стенками КС).
Своеобразная характеристика скорости истечения ЭПКТ из распыливающих отверстий
форсунки вызывает трехстадийное развитие свободной ТС.
Начальная стадия развития ТС. Распад сильно турбулизованной струи жидкого
топлива на капли начинается уже вблизи форсунки. В результате пульсаций
скорости истечения топлива из форсунки и поперечных турбулентных пульсаций
потока струя распыленного топлива вблизи форсунки имеет волновую форму с
местными разрежениями и уплотнениями потока.
Рис. 2.1. Схемы к описанию структуры топливной струи и развитию в ней ЭПКТ: , ,
- соответственно, путь ЭПКТ до начала основного участка развития струи, до
внутренней границы ПФ струи и текущая длина струи; , -скорости движения ЭПКТ,
соответствующие и ; , - соответственно, текущая скорость впрыскивания и
перемещения ПФ струи
В развивающуюся ТС периодически и с частотой пульсаций скорости истечения
топлива из форсунки врываются высокоскоростные ЭПКТ, быстро продвигающиеся к
передней границе, подталкивая, раздвигая и уплотняя ранее сформировавшийся
поток капель. В поперечном сечении ТС плотность распределения капель топлива и
их диаметры быстро уменьшаются при удалении от центра [20, 23, 63, 134]. В
связи с этим периферийные потоки капель тормозятся быстрее, чем осевой поток,
постепенно отстают, отрываются от него и тормозятся в оболочке ТС. Разрушение
осевого потока в ПФ струи на начальной стадии развития ТС несущественно, что и
предопределяет большую скорость продвижения вершины струи.
Основная стадия развития ТС. При возрастающей скорости впрыскивания топлива
высокоскоростной осевой поток элементарной пульсирующей струи догоняет осевой
поток предыдущей ЭПКТ, внедряется в него, подталкивая, частично раздвигая и
уплотняя его. Противодавление окружающей среды в КС форсированных дизелей
способствует соответствующему уплотнению и расширению осевого потока у передней
границы струи. В результате формируется про
- Киев+380960830922