Материал: 2471

мелких шариков с радиусом R, площадью поверхности Sk 4 R2 и

объёмом Vk 4 R3 (см. прил. 3). 3

При диаметре капель dk 2R площадь и объём будут равны

При оценке мелкости распыливания топлива пользуются различными средними диаметрами – средним арифметическим, средним объемным, а также средним диаметром по Заутеру, который пропорционален отношению суммарного объёма всех капель к их суммарной поверхности [3].

Средний диаметр по Заутеру

где Ni − число капель с данным наружным диаметром; di – наружный диаметр капель данного размера.

Предположим, что факел распыленного топлива состоит из 1000 капель. Наружный диаметр 300 капель равен 20 мкм, а 700 капель – 10 мкм. Средний диаметр капель распыленного топлива по Заутеру составит 16 мкм.

Средний диаметр капель по Заутеру подсчитывают из условия равенства поверхностей и объемов (масс) капель истинных и средних размеров. Он позволяет оценить общую поверхность распыленного топлива. Качество распыливания по среднему диаметру Заутера характеризует диаметр капель однородного тумана, который для данного объема жидкости образовал бы ту же поверхность испарения, что и действительный туман [3]. Уменьшение средних диаметров капель указывает на улучшение мелкости распыливания топлива.

Анализ работ по физическим процессам, вызывающим распад струи жидкости на капли [3,18,21,24,43], показал, что тонкость распыливания увеличивается: при уменьшении вязкости и коэффициента поверхностного натяжения, при увеличении перепада давления в сопловом отверстии, при увеличении давления среды, при уменьшении диаметра сопла.

Струя жидкости разделяется на капли в основном под воздействием капиллярного натяжения, колебательных явлений и скорости ис-

течения, которая зависит от давления и диаметра соплового отверстия форсунки.

Диапазон, в котором проявляется действие капиллярного натяжения, соответствует скорости истечения порядка 1 м/с, колебательных явлений – 10 м/с. В диапазоне скорости порядка 100 м/с струя жидкости подвергается распыливанию, образуя туман за соплом форсунки.

Распыливание топлива зависит от числа Вебера и Рейнольдса. Безразмерное число Вебера устанавливает связь между тремя параметрами, влияющими на мелкость распыливания жидкости, и может быть найдено из выражения

где P – перепад давления (Н/м2) в сопловом отверстии и среды, куда производится впрыск; dc – диаметр соплового отверстия, м; – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м.

У жидкостей величина (Н/м) имеет следующие значения: вода

–0,0728; нефть – 0,026; дизельное топливо – 0,029; бензин – 0,022.

Число Рейнольдса, или режим движения, зависит от средней ско-

Одним из основных законов капиллярных явлений, влияющих на мелкость распыливания жидкости, является закон Лапласа, согласно которому разность гидростатических давлений РГ с обеих сторон поверхности раздела жидкости и газа равна произведению поверхностного натяжения на её среднюю кривизну

где Р1 и Р2 – давление с вогнутой и выпуклой сторон поверхности, Е –

где ж – плотность жидкости, кг/м3; dc – диаметр соплового отверстия, м; – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; Т – коэффициент динамической вязкости топлива, Н∙с/м2 (Па∙с).

Значительное влияние на распыливание топлива оказывает величина скорости, с которой жидкость вытекает из соплового отверстия. Обычно результаты экспериментов приводят к критериальной форме.

Как показали многочисленные эксперименты, величина скорости вытекающего топлива Т, при которой начинается распад непосредственно у соплового отверстия, зависит от ряда факторов [3]:

где T , в – соответственно плотность топлива и воздуха; T ; в – коэффициенты динамической вязкости топлива и воздуха; – поверхностное натяжение топлива; dc – диаметр соплового отверстия.

Для придания уравнению безразмерного вида воспользуемся масштабами протяженности L, времени Т и массы М. Выберем эти масштабы так, чтобы

После приведения к безразмерной форме функциональное уравнение (10.8) примет вид [3]:

На основании обработки экспериментальных результатов и теоретических предположений А.С. Лышевский [24] получил зависимость, позволяющую определять средние диаметры капель при впрыске. Так, для среднего диаметра капель по Заутеру была получена формула

Пример 11.1. Определить диаметр сопловых отверстий распылителя для подачи дизельного топлива в камеру сгорания под средним постоянным давлением 30 МПа (30·106 Н/м2). Максимальное давление в полости форсунки 50 МПа. Плотность дизельного топлива при 20 0С равна 850 кг/м3.

В качестве примера определим расчетным путем суммарное значение проходного сечения сопловых отверстий распылителей, их число и диаметр для дизеля семейства КамАЗ.

Для режима номинальной мощности цикловую подачу для дизеля КамАЗ определим по формуле

где qе – удельный эффективный расход топлива, 210 г/(кВт·ч); Nе – эффективная номинальная мощность, 190 кВт; i – число цилиндров, 8; nн – частота вращения вала насоса, 1100 мин-1; ρТ – плотность топли-

ва, 0,85 г/см3, или 850 кг/м3.

Главным параметром распылителя является его эффективное проходное сечение F . Суммарная площадь сопловых отверстий F

зависит от диаметра отверстий и их количества. Величина F для распылителей автотракторных дизелей соответствует 0,15 − 0,4 мм2.

Для двигателей семейства КамАЗ мощностью от 154 до 265 кВт значение F лежит в пределах 0,185 − 0,27 мм2.

Определим теоретическую скорость истечения дизельного топлива через сопловые отверстия:

где Р – среднее по величине давление топлива перед сопловыми отверстиями.

Т 2 300 105 /850 265 м/с.

Действительная максимальная скорость, при которой жидкость вытекает из сопловых отверстий,

Д Т 265 0,7 185м/с,

где 0,7 – коэффициент расхода.

Объемный расход топлива Q из распылителя (м3/с) можно опре-

где F – эффективное проходное сечение распылителя, м2; T – теоретическая скорость истечения топлива, м/с; Р – средняя величина давления топлива перед сопловыми отверстиями, Н/м2; ρТ – плотность топлива, кг/м3.

При Р = 30·106 Н/м2 и ρТ =850 кг/м3 величина T =265 м/c.

Объемный расход топлива можно определить по количеству топлива, поданного в камеру сгорания (V= qц) за время впрыска t :

Время впрыска t (с) и продолжительность впрыска (град) зависят от частоты вращения кулачкового вала n (мин-1) и связаны выражением

Откуда