ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТНЫХ

И РАСХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ВОЗДУШНО-ТОПЛИВНЫХ СТРУЙ

П.Ю Гуляев, А.В. Еськов, М.В. Полторыхин

 Исследование скоростных характеристик гетерогенных потоков представляет актуальную задачу современных научных исследований. При изучении топливно-воздушные струй дизельных форсунок наибольший интерес представляют скоростные параметры конденсированной фазы топлива, так как они определяют динамику развития и распространения струи. Время развития таких струй составляет 1-6 мс, что выдвигает соответствующие требования к измерительной аппаратуре. Одним из перспективных направлений диагностики топливно-воздушных потоков является диагностика оптическими методами. В лабораториях кафедры ДВС и кафедры Экспериментальной Физики АлтГТУ им. И.И. Ползунова создан и апробирован экспериментальный стенд для исследования характеристик топливных струй дизельных форсунок на базе лабораторной установки УК-2 (рис. 1).

Стенд функционирует следующим образом. Топливный насос 1 по трубопроводу 2 подает порцию топлива в дизельную форсунку 3. Вал топливного насоса 1 вращает диск синхронизации 4 с отверстием, расположенным таким образом, чтобы в момент начала впрыска луч света от лампы накаливания 5 регистрировался фотодатчиком 6. Распыливаемое топливо пролетает через измерительную головку 7 с расположенными в ней с противоположных сторон светодиодами 8, 9 и фотодиодами 10, 11 так, чтобы излучение светодиодов регистрировалось фотодиодами. Блоком питания 12 устанавливается требуемый ток светодиодов 8 и 9, регулируя интенсивность излучения, зондирующего топливный поток 13. Блок питания 14 регулирует яркость лампы 5 в устройстве синхронизации. Электрические сигналы, вырабатываемые фотодиодами 10 и 11 усиливаются и преобразуются в шестиразрядный цифровой код в устройстве 15 “ЛИСК-ИК”. Тензометрический датчик давления 16 и индуктивный датчик хода иглы 17, включенные по полумостовой схеме, вырабатывают электрические сигналы, которые усиливаются усилителем 18 УТЧ-1 и преобразуются цифровым запоминающим осциллографом С9-8 в восьмиразрядный цифровой код. Цифровые сигналы от осциллографа 19 и устройства “ЛИСК-ИК” одновременно поступают на порты ЭВМ 20 для дальнейшей обработки результатов.

Одновременная регистрация по времени впрыска давления в трубопроводе перед форсункой, хода иглы распылителя и оп-

тической интенсивности излучения, прошедшего через топливно-воздушный поток в двух сечениях позволяют получать более полную информацию о топливном потоке.

На рис. 2 приведены диаграммы перемещения иглы и изменения давления в трубопроводе, полученные датчиками конструкции ЦНИТА [1], и используемые на экспериментальном стенде. Электрические сигналы с датчиков преобразуются в цифровую форму и записываются на жесткий диск ЭВМ в виде двух файлов. Как видно из диаграмм,

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки

 

а)

б)

Рис. 2. Диаграмма движения иглы распылителя-1 (в относительных единицах H/Ho) и изменение

давления в трубопроводе перед форсункой - 2 (кг/см2) по времени относительно момента начала

впрыска: а) - качественный распылитель; б) - распылитель с “подвпрыском”

эти данные позволяют выявить и проследить во времени динамику изменения давления и перемещения иглы распылителя, например, с их помощью можно получить скорость поднятия и опускания иглы распылителя, скорость нарастания и сбрасывания давления в трубопроводе.

Частицы топливно-воздушного потока постоянно движутся и, следовательно, число частиц в любом сечении струи постоянно меняется. Допустим, что за очень малое время to число частиц в сечениях не изменится и равно n1 и n2 соответственно. Тогда интенсивности частиц в первом сечении с координатой x1 в момент времени t - m (t,x1), и m (t,x2) во втором сечении потока так же не изменятся за время to, тогда можно записать: n1=m (t,x1)to, n2=m (t,x2)t0. Плотность частиц r (t,x) в заданном сечении потока так же не изменится за малое время t0. Разность плотностей в сечениях струи на малом расстоянии x0, есть разность количества частиц между этими сечениями:

D .

Интенсивность частиц во втором сечении m (t,x2)= =m (t,x1+xo), разложим в ряд Тейлора в точке x1, ограничиваясь двумя членами и принимая xo как малое приращение:

Принимая во внимание тот факт, что за сечение x1 можно принять любое сечение, запишем:

D ,

или, учитывая малость to:

.

 

Последнее уравнение является уравнением непрерывности потока, которое здесь получено при допущении, что вся масса частиц первого сечения обязательно пролетит через второе сечение, то есть на интервале xo частицы не вылетают за границы струи, а так же необходимо отметить, что на этом же интервале xo площади струи в поперечных сечениях считаются равными.

Выбор оптимального расстояния между сечениями определяется тем, что при уменьшении xo относительно некоторого расстояния, рассеянное излучение от светодиода в первом сечении попадает в поле зрения и регистрируется фотодиодом во втором сечении. Для уменьшения влияния этого эффекта рекомендуется использовать лазерное излучение путем его расщепления на два луча с одинаковой интенсивностью, а так же использовать диафрагму в оптической системе фотодатчиков. С другой стороны, чрезмерное увеличение расстояния xo приводит к заметному изменению параметров топливно-воздушной струи, выходящих за рамки оговоренных выше допущений. Таким образом, при экспериментах с впрыском топлива в атмосферу, расстояние xo выбиралось в пределах 1 - 4 см.

Интенсивность излучения, прошедшего через топливный поток в некотором сечении, зависит от концентрации частиц потока. Стало быть, относительная интенсивность прошедшего через поток излучения в двух сечениях I1/Io и I2/Io, регистрируемая за время впрыска, отражает интенсивность частиц в каждом сечении m (t,x1) и m (t,x2) (рис. 3). Фотодиоды 10 и 11 регистрируют интенсивность светового излучения на протяжении времени впрыска топлива, вырабатывая электрический сигнал, который оцифровывается с периодом to. Проинтегрировав полученные данные по периоду впрыска, получаем расходную характеристику потока в заданном сечении (рис. 4). Интегрирование проводится методом трапеций. На кривой, описывающей изменение интенсивности (рис. 3), наблюдается тренд, который возникает вследствие рассеяния светового потока на распыленном в воздухе топливе. Поэтому для получения расходной характеристики интегрирование проводится в ограниченной области. Интервал интегрирования определяются по скорости изменения сигнала.

Измерив расходные характеристики на разных расстояниях от сопла распылителя, можно получить эффективность переноса порций топлива на выбранные расстояния.

Исходя из уравнения непрерывности и полученных расходных характеристик топливной струи, можно рассчитать времена задержки переноса массы и, применив известное соотношение, получить распределение скоростей частиц в струе ( рис.5 ). По виду

а)

 

б)

Рис. 3. Интенсивность светового излучения, прошедшего через

топливный факел в двух сечениях 1 и 2 соответственно:

а - для качественного распыла; б - для распыла с “подвпрыском”

 

 

а)

б)

Рис. 4. Расходные характеристики топливной струи на

различных сечениях потока

 

Рис.5. Гистограмма распределения скоростей в струе

полученного распределения можно судить о качественной картине распыления топлива.

Располагая одну из оптических пар в непосредственной близости от сопла распылителя, регистрируется динамика движения топливной струи, и расходная характеристика на выходе из сопла. Регистрируя расход топлива на выходе разных сопл распылителя можно получить расход топлива через каждое сопло.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Преобразование электрических сигналов датчиков в цифровую форму с последующей обработкой на ЭВМ позволяет зарегистрировать динамику процессов, влияющих на качество распыливания топлива, особенно в моменты поднятия и опускания иглы распылителя.

2. Регистрация интенсивности излучения, прошедшего через топливную струю в двух сечениях на заданных расстояниях от сопла распылителя характеризует эффективность переноса количества топлива на эти расстояния.

3. Измеряя интенсивность светового излучения, прошедшего через струю в зоне выхода из сопла распылителя для всех сопловых отверстий, тем самым можно оценить неравномерность распределения топлива по соплам.

4. Использование экспериментальной методики и цифровой аппаратуры регистрации позволяет в режиме реального времени получать характеристики работы форсунки и топливного факела, а так же с использованием ЭВМ строить между ними корреляционные зависимости.

5. Использование описанной методики позволяет получать распределение скоростей конденсированной фазы в гетерогенном потоке и оценивать среднюю скорость потока.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Файнлейб Б. Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1990. - 352 с.