TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Podobne dokumenty
EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE BADANIA ROZPYLENIA BENZYNY Z WYKORZYSTANIEM DWÓCH WTRYSKIWACZY WYSOKOCIŚNIENIOWYCH

NUMERYCZNA SYMULACJA WPŁYWU PODZIAŁU DAWKI PALIWA NA JEGO ROZPYLENIE W UKŁADZIE WYSOKOCIŚNIENIOWEGO WTRYSKU BENZYNY

Evaluation of difference between controling signal and injector response time in liquid fuel direct injection systems

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

Ocena parametrów użytkowych wtryskiwaczy piezoelektrycznych na podstawie badań wizualizacyjnych procesu rozpylania paliwa

Research and analysis of the influence of the injection pressure on spraying fuel in the chamber about the fixed volume

Analysis of the influence of injection pressure in common rail system on spray tip penetration of the selected alternative fuels

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

WIROWANIE. 1. Wprowadzenie

Badania właściwości dynamicznych sieci gazowej z wykorzystaniem pakietu SimNet TSGas 3

dn dt C= d ( pv ) = d dt dt (nrt )= kt Przepływ gazu Pompowanie przez przewód o przewodności G zbiornik przewód pompa C A , p 1 , S , p 2 , S E C B

TEORETYCZNY MODEL PANEWKI POPRZECZNEGO ŁOśYSKA ŚLIZGOWEGO. CZĘŚĆ 3. WPŁYW ZUśYCIA PANEWKI NA ROZKŁAD CIŚNIENIA I GRUBOŚĆ FILMU OLEJOWEGO

WPŁYW CIŚNIENIA WTRYSKU I LEPKOŚCI OLEJU NAPĘDOWEGO NA PROCES ROZPYLENIA PALIWA W SILNIKACH Z ZS

Numeryczna symulacja rozpływu płynu w węźle

Podstawowe narzędzia do pomiaru prędkości przepływu metodami ciśnieniowymi

NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Rola modelowania fizycznego i numerycznego

Ćwiczenie N 13 ROZKŁAD CIŚNIENIA WZDŁUś ZWĘśKI VENTURIEGO

TRANSCOMP XV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

INFLUENCE OF POWERING 1104C PERKINS WITH MIXTURE OF DIESEL WITH THE ADDITION OF THE ETHANOL TO HIS SIGNS OF THE WORK

ANALIZA ROZKŁADU CIŚNIEŃ I PRĘDKOŚCI W PRZEWODZIE O ZMIENNYM PRZEKROJU

IDENTIFICATION OF NUMERICAL MODEL AND COMPUTER PROGRAM OF SI ENGINE WITH EGR

WPŁYW ZASILANIA PALIWEM MIKROEMULSYJNYM NA PROCES JEGO WTRYSKU W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM

SPRĘŻ WENTYLATORA stosunek ciśnienia statycznego bezwzględnego w płaszczyźnie

PRÓBA WERYFIKACJI WYNIKÓW SYMULACJI PROCESU WTRYSKIWANIA W WARUNKACH RZECZYWISTYCH

Wpływ rodzaju filtrów optycznych na określenie temperatury w komorze spalania

Analiza porównawcza rozpylenia paliwa przez wybrane typy wtryskiwaczy paliw ciekłych

STANOWISKO BADAWCZE WTRYSKOWYCH UKŁADÓW COMMON RAIL ZASILANYCH PALIWAMI RÓŻNEGO TYPU

Badawcza ocena wpływu rozpylenia paliw węglowodorowych na tworzenie się ognisk samozapłonu oraz przebieg procesów przedpłomiennych

Keywords: diesel engine, injection, fuel atomization, vibroacoustic methods

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Zastosowania Równania Bernoullego - zadania

WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI PALIW MINERALNYCH I ROŚLINNYCH NA PRĘDKOŚĆ NARASTANIA CIŚNIENIA W PRZEWODZIE WTRYSKOWYM I EMISJĘ AKUSTYCZNĄ WTRYSKIWACZA

WPŁYW ZASILANIA SILNIKA PERKINS 1104C BIOETANOLEM NA PRZEBIEG PROCESU WTRYSKU I PODSTAWOWE PARAMETRY ROZPYLANIA

MECHANIKA PŁYNÓW Płyn

Nieustalony wypływ cieczy ze zbiornika przewodami o różnej średnicy i długości

ciąg podciśnienie wywołane róŝnicą ciśnień hydrostatycznych zamkniętego słupa gazu oraz otaczającego powietrza atmosferycznego

DYNAMIKA ŁUKU ZWARCIOWEGO PRZEMIESZCZAJĄCEGO SIĘ WZDŁUŻ SZYN ROZDZIELNIC WYSOKIEGO NAPIĘCIA

Laboratorium InŜynierii i Aparatury Przemysłu SpoŜywczego

TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA

Badania charakterystyki sprawności cieplnej kolektorów słonecznych płaskich o zmniejszonej średnicy kanałów roboczych

J. Szantyr Wykład nr 26 Przepływy w przewodach zamkniętych II

Zastosowanie symulacji komputerowej do badania właściwości hydraulicznych sieci wodociągowej

Materiały pomocnicze z Aparatury Przemysłu Chemicznego

Cezary I. Bocheński*, Krzysztof Warsicki*, Anna M. Bocheńska** * Politechnika Warszawska

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 1 2 ISSN

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA ZAKŁAD GEOINŻYNIERII I REKULTYWACJI ĆWICZENIE NR 4 OKREŚLENIE WSPÓŁCZYNNIKA STRAT LOEKALNYCH

Automatyka i pomiary wielkości fizykochemicznych. Instrukcja do ćwiczenia III. Pomiar natężenia przepływu za pomocą sondy poboru ciśnienia

Logistyka - nauka. dr inż. Remigiusz Mruk adiunkt, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Katedra Organizacji i Inżynierii Produkcji 2

WYKŁAD 10 METODY POMIARU PRĘDKOŚCI, STRUMIENIA OBJĘTOŚCI I STRUMIENIA MASY W PŁYNACH

BADANIA WIZUALIZACYJNE JAKO METODA OCENY PARAMETRÓW WTRYSKU PALIWA DO SILNIKÓW O ZS

WIROWANIE. 1. Wprowadzenie

Proces wykonywania modeli z nowej generacji mas modelowych stosowanych w metodzie wytapianych modeli analiza symulacyjna

Modelowanie numeryczne oddziaływania pociągu na konstrukcje przytorowe

Metodyka oceny wydatku spalin silnika odrzutowego

Ćwiczenie 3: Wyznaczanie gęstości pozornej i porowatości złoża, przepływ gazu przez złoże suche, opory przepływu.

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

OBLICZENIA SILNIKA TURBINOWEGO ODRZUTOWEGO (rzeczywistego) PRACA W WARUNKACH STATYCZNYCH. Opracował. Dr inż. Robert Jakubowski

1. Część teoretyczna. Przepływ jednofazowy przez złoże nieruchome i ruchome

POLITECHNIKA LUBELSKA

Ćwiczenie 2 Numeryczna symulacja swobodnego spadku ciała w ośrodku lepkim (Instrukcja obsługi interfejsu użytkownika)

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 13: Współczynnik lepkości

MECHANIKA PŁYNÓW LABORATORIUM

Krzysztof Gosiewski, Anna Pawlaczyk-Kurek

STANOWISKO DO WYZNACZANIA CHARAKTERYSTYK PRZEPŁYWOWYCH WTRYSKIWACZY BENZYNY

Zadanie 1. Zadanie 2.

Laboratorium LAB3. Moduł pomp ciepła, kolektorów słonecznych i hybrydowych układów grzewczych

BADANIA SYMULACYJNE PROCESU HAMOWANIA SAMOCHODU OSOBOWEGO W PROGRAMIE PC-CRASH

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

WPŁYW ZASILANIA SILNIKA ROLNICZEGO MIESZANINĄ OLEJU NAPĘDOWEGO Z BIOBUTANOLEM NA JEGO EFEKTYWNE WSKAŹNIKI PRACY

WYDZIAŁ LABORATORIUM FIZYCZNE

17.1 Podstawy metod symulacji komputerowych dla klasycznych układów wielu cząstek

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

Politechnika Poznańska

Politechnika Poznańska

Pomiar pompy wirowej

Destylacja z parą wodną

WYZNACZENIE WSPÓŁCZYNNIKA OPORU LINIOWEGO PRZEPŁYWU LAMINARNEGO

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA. Poszukiwanie optymalnej średnicy rurociągu oraz grubości izolacji

W zaleŝności od charakteru i ilości cząstek wyróŝniamy: a. opadanie cząstek ziarnistych, b. opadanie cząstek kłaczkowatych.

Symulacja statyczna sieci gazowej miasta Chełmna

FLAC Fast Lagrangian Analysis of Continua

Modelowanie zjawisk przepływowocieplnych. i wewnętrznie ożebrowanych. Karol Majewski Sławomir Grądziel

WPŁYW METODY DOPASOWANIA NA WYNIKI POMIARÓW PIÓRA ŁOPATKI INFLUENCE OF BEST-FIT METHOD ON RESULTS OF COORDINATE MEASUREMENTS OF TURBINE BLADE

Modele matematyczne procesów, podobieństwo i zmiana skali

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, INSTYTUT INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ I POMIAROWEJ LABORATORIUM POMIARÓW WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH I-21

POLITECHNIKA LUBELSKA

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Katarzyna Jesionek Zastosowanie symulacji dynamiki cieczy oraz ośrodków sprężystych w symulatorach operacji chirurgicznych.

DETERMINANTY DOKŁADNOŚCI DAWKOWANIA PALIWA W SYSTEMIE ZASOBNIKOWEGO UKŁADU ZASILANIA COMMON RAIL

Nowoczesne narzędzia obliczeniowe do projektowania i optymalizacji kotłów

OPORY PRZEPŁYWU PRZEWODÓW WENTYLACYJNYCH

MODELOWANIE ZUŻYCIA PALIWA W SILNIKU WYSOKOPRĘŻNYM TYPU DI Z WYKORZYSTANIEM SIECI NEURONOWYCH

Grupa 1 1.1). Obliczyć średnicę zastępczą przewodu o przekroju prostokątnym o długości boków A i B=2A wypełnionego wodą w 75%. Przewód ułożony jest w

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Analiza strat ciśnieniowych w kanałach pompy MP-05

Statyka płynów - zadania

[ ] ρ m. Wykłady z Hydrauliki - dr inż. Paweł Zawadzki, KIWIS WYKŁAD WPROWADZENIE 1.1. Definicje wstępne

Transkrypt:

TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT Krzysztof WISŁOCKI 1 Ireneusz PIELECHA Jakub CZAJKA Dmitrij MASLENNIKOV rozpylenie paliw ciekłych, metody symulacyjne, badania optyczne SYMULACYJNA METODA ANALIZY ROZPYLENIA PALIWA CIEKŁEGO Z WYKORZYSTANIEM WTRYSKIWACZY PIEZOELEKTRYCZNYCH W artykule przedstawiono wyniki wykorzystania metody symulacyjnej do badania zasięgu strugi wtryskiwanego paliwa ciekłego z wtryskiwaczy piezoelektrycznych benzyny wykorzystywanych w nowoczesnych układach wtrysku wysokociśnieniowego. Omówiono budowę modelu i przebieg badania symulacyjnego. Weryfikację uzyskanych wyników przeprowadzono na podstawie badań eksperymentalnych prowadzonych na stanowisku wyposaŝonym w kamerę do szybkiego filmowania i cyfrowej analizy obrazu. W procedurze weryfikacyjnej uwzględniono wpływ przeciwciśnienia ośrodka na zasięg i prędkość rozprzestrzeniania się strugi. SIMULATION BASED METHODS OF LIQUID FUEL ATOMIZATION WITH THE USE OF PIEZOELECTRIC INJECTORS The paper presents an attempt to apply a simulation method in the investigation into liquid fuel atomization generated from piezoelectric gasoline injectors used in modern high pressure injection systems. Individual stages of the simulation research have been discussed and an experimental verification of the method has been carried out. The results of the simulation and experimental research of the injection of liquid fuel have been presented in the form of influence of air backpressure on the fuel spray atomization and fuel propagation. 1. WPROWADZENIE Symulacyjne metody badawcze dotyczące procesów silnikowych są waŝnym narzędziem determinującym rozwój tej dziedziny techniki. Ich stosowanie pozwala w znacznym stopniu skrócić i zoptymalizować proces badawczy. Obecnie istnieje wiele programów symulacji procesów wewnątrzsilnikowych [9] wykorzystywanych do badań 1 wszyscy: Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, Polska, tel.: 061 665-2240, fax: 061 665-27, e-mail: krzysztof.wislocki@put.poznan.pl, ireneusz.pielecha@put.poznan.pl

3698 K. WISŁOCKI, I. PIELECHA, J. CZAJKA, D. MASLENNIKOV procesu wtrysku i spalania paliw ciekłych [2, 5, 6]. Jednym z nich jest pakiet oprogramowania FIRE firmy AVL. Pozwala ono na rozwiązywanie problemów związanych z modelowaniem chemicznych i fizycznych procesów występujących w silnikach spalinowych. Pakiet ten zawiera moduł ESET pozwalający na symulację procesów wtrysku i rozpylenia paliwa ciekłego [1]. Parametry wtryskiwanej strugi paliwa są bardzo istotne w aspekcie procesu tworzenia mieszanki palnej, szczególnie przy wykorzystaniu benzynowych wtryskiwaczy piezoelektrycznych. Ich główną zaletą jest moŝliwość uzyskania wielokrotnego podziału dawki paliwa przy względnie krótkich czasach między kolejnymi dawkami paliwa. Wtryskiwacze piezoelektryczne są wykorzystywane w układach bezpośredniego wtrysku benzyny drugiej generacji w układach HPI (High Precision Injection) silników BMW [7, 8]. Podjęty problem badawczy polegał na zastosowaniu metody optycznej obserwacji i cyfrowej analizy uzyskiwanych obrazów rozwoju strugi wtryskiwanego paliwa oraz jej symulacji w celu wyznaczenia wskaźników porównawczych strugi i na ich podstawie dokonanie zobiektywizowanej oceny przebiegu procesu wtrysku i rozpylenia paliwa. Szczególnie istotnym zagadnieniem było wyjaśnienie, w jaki sposób podstawowe parametry wtrysku benzyny (ciśnienie wtrysku, czas trwania wtrysku) wpływają na zmianę wybranych wskaźników porównawczych moŝliwych do określenia dla strugi wtryskiwanego paliwa. DąŜono takŝe do zebrania odpowiedniego materiału badawczego, który mógłby posłuŝyć do określenia związków funkcjonalnych pomiędzy tymi parametrami i wartościami wskaźników porównawczych. Symulacja cyfrowa pozwala na przewidywanie procesów wtrysku i rozpylenia paliwa. 2. PODSTAWY METODY OBLICZENIOWEJ Badania rozpylenia paliwa obejmują wielofazowe zjawiska i wymagają jednoczesnego numerycznego rozwiązania równań dla fazy ciekłej i gazowej. W większości przypadków obliczenia dotyczące rozpylenia cieczy oparte są na metodzie zwanej Discrete Droplet Method [1, 4]. Metoda ta pozwala na rozwiązywanie równań róŝniczkowych drogi (trajektorii), pędu, ciepła i masy pojedynczych kropli paliwa. Siła oddziałująca na cząstkę paliwa jest równa: duid m d = Fidr + Fig + Fip + Fib (1) dt gdzie: m d masa cząstki paliwa, u id wektor prędkości cząstek paliwa, F ig siła obejmująca wpływ grawitacji i wyporu wzór (6), F ip siła ciśnienia, podana w postaci (7), F ib inne siły zewnętrzne (m.in. siły elektrostatyczne i magnetyczne), F idr siła oporu ruchu, określona jako: F idr = D u (2) p irel

SYMULACYJNA METODA ANALIZY ROZPYLENIA PALIWA 3699 gdzie: D p jest funkcją oporu aerodynamicznego, zdefiniowaną jako: 1 Dp = ρgadcd u rel (3) 2 gdzie: C d współczynnik oporu powietrza, który jest funkcją liczby Reynoldsa Re d i pola przekroju cząstki A d. W oprogramowaniu FIRE do wyznaczenia współczynnika oporu dla pojedynczej sfery wykorzystano formułę Schillera i Naumanna [1]: 24 0, d 687 (1 + 0,15 Re Red 0,44 ) Re Re d d 3 < 10 3 10 (4) Liczbę Reynoldsa przedstawiono z uwzględnieniem lepkości płynu µ g : Re d ρg u rel Dd = (5) µ g gdzie: ρ g gęstość gazu. F ig jest siłą obejmującą wpływ grawitacji i wyporu: Fig = Vp ( ρp ρg ) gi (6) gdzie: ρ p gęstość cząstki, g i przyspieszenie ziemskie, V p objętość cząstki. F ip to siła ciśnienia, podana w postaci Fip = V p p (7) Wielkość F ib zawiera inne siły zewnętrzne (m.in. siły elektrostatyczne i magnetyczne). Wstawiając zaleŝności (2)-(7) do równania (1) i dzieląc je przez masę cząstek m d uzyskuje się równanie na przyspieszenie cząstki: du dt id ρg ( uig uid ) + 1 gi 3 ρg 1 = CD ug ud 4 d D (8) ρ d ρd które po scałkowaniu pozwala na określenie prędkości cząstki: dxid = u id (9) dt

3700 K. WISŁOCKI, I. PIELECHA, J. CZAJKA, D. MASLENNIKOV gdzie: x id wektor połoŝenia cząstki. Do określenia rozpadu kropli wykorzystano półempiryczny model (tzw. sheet model) w celu wyznaczenia warunków początkowych strugi (grubość, prędkości i długości rozpadu kropli rys. 1). Do symulacji wymagane są następujące dane wejściowe: liczba dawek paliwa, zewnętrzna i wewnętrzna średnica otworu wtryskiwacza, właściwości wtryskiwanej cieczy, zewnętrznej i wewnętrznej kąt stoŝka strugi paliwa, róŝnica ciśnień wtrysku, Grubość strugi h jest obliczana na podstawie: A 12 m& h = π ρl d l out µ l (1 + X) 2 p (1 X) 0,5 (10) out 2 dout 2 (d 2 h) X = (11) gdzie: h [m] grubość strugi, X [-] stosunek stoŝka powietrza do całkowitej powierzchni, d out [m] zewnętrzna średnica otworu, m l [kg/s] natęŝenie przepływu cieczy, µ l [kg/(ms)] lepkość dynamiczna cieczy, ρ l [kg/m³] gęstości cieczy, p [Pa] róŝnica ciśnień, A [-] stała, A = 400, θ [deg] połowa kąta stoŝka zewnętrznego. Rys. 1. Etapy rozpadu strugi paliwa Długość rozpadu cieczy uzyskuje się z równań Clarka i Dombrowskiego [1]:

SYMULACYJNA METODA ANALIZY ROZPYLENIA PALIWA 3701 ρ 1 σ ln( η/ η0 ) h cosθ BL = B (14) 2 2 ρg v rel gdzie: ln(η/η 0 ) [-] parametry określone doświadczalnie, ln(η/η 0 ) = 12, v rel [m/s] prędkość względna między cieczą i gazem, ρ g [kg/m³] gęstości gazu, σ [N/m] - napięcie powierzchniowe, B [-] stała, standardowo B = 3. PowyŜsze równania wykorzystano do symulacji rozpylenia paliwa ciekłego z wykorzystaniem wtryskiwaczy piezoelektrycznych benzyny. Wyniki symulacji rozpylenia paliwa przedstawiono na rys. 2. Badania symulacyjne przeprowadzono dla wtryskiwacza piezoelektrycznego typu outward-opening stosowanego w układach bezpośredniego wtrysku benzyny drugiej generacji. a) b) 0,5 Rys. 2. Symulacja rozwoju strugi paliwa: a) prędkości kropel, b) średnica kropel (P wtr = MPa; t wtr = 0,5 ms; dla czasu t = 0,46 ms po rozpoczęciu wtrysku) 3. METODYKA BADAWCZA Do weryfikacji badań symulacyjnych wykorzystano stanowisko badawcze (rys. 3) zbudowane z układu wtrysku wysokociśnieniowego benzyny wraz z pompami: wysokociśnieniową i zasilającą. Piezoelektryczny wtryskiwacz benzyny umieszczono w komorze pomiarowej, w której moŝna zmieniać ciśnienie powietrza w granicach 0-4,0 MPa. Usytuowanie wtryskiwacza pozwala na obserwację rzutu stoŝka rozpylenia strugi paliwa. Wykorzystywana w badaniach kamera do szybkiego filmowania (do 250 000 klatek/s) typu High Speed Star 5 firmy LaVision jest wyposaŝona w monochromatyczny przetwornik obrazu typu CMOS. Szybkość filmowania ograniczono do 10 000 klatek na sekundę (rozdzielczość czasowa 100 us) w celu uzyskania rozdzielczości obrazu 512 x 512 pikseli (rozmiar piksela 17 x 17 um). Zakres widmowy rejestracji wynosił 380-800 nm. Pracą układu sterowało urządzenie komputerowe (sequencer) generujący poszczególne sygnały do elementów wykonawczych. Pozwala ono na wysterowanie pracą poszczególnych elementów układu badawczego: otwarciem dolotu i otwarciem wylotu powietrza zasilającego, wysterowaniem wtryskiwacza oraz wyzwoleniem impulsu elektrycznego do rozpoczęcia procesu filmowania.

3702 K. WISŁOCKI, I. PIELECHA, J. CZAJKA, D. MASLENNIKOV Badania wykonano dla dwóch ciśnień wtryskiwanego paliwa: 5 i MPa (tab. 1). Wartości te wybrano jako graniczne występujące w obecnych układach wtryskowych. Wyznaczają one jednak kolejny etap rozwoju tych układów. Badania wykonano dla wariantu pozwalającego na filmowanie zasięgu liniowego obejmował on prostopadłe ustawienie wtryskiwacza w stosunku do osi kamery (rys. 4). Rys. 3. Stanowisko do badania rozpylenia paliwa Tab. 1. Parametry badań wtrysku paliwa do komory z przeciwciśnieniem Nr 1 2 3 4 Ciśnienie paliwa Pinj [MPa] 5 Ciśnienie powietrza Pair [MPa] 0,5 1,5 0,5 1,5 Temperatura powietrza tair [oc] Wtryskiwacz Temperatura paliwa tfuel [oc] Kod badania Pinj- Pair- tair- tfuel HPI-50-5-- HPI-50-15-- HPI -0-5-- HPI -0-15-- Elastyczny przewód wtryskowy Manometr Kamera HSS5 Komora badawcza Silnik elektryczny Pompa wysokociśnieniowa Zasobnik ciśnienia Rys. 4. Sposób umieszczenia wtryskiwacza i filmowania strugi paliwa w komorze Analizę zasięgu strugi paliwa, jego rozpylenia i prędkości opracowano z wykorzystaniem programu DaVis firmy LaVision stosując własne podprogramy na bazie języka Command Language CL [3]. Liniowy zasięg strugi wyznaczono według następującego algorytmu (rys. 5):

SYMULACYJNA METODA ANALIZY ROZPYLENIA PALIWA 3703 a) określono połoŝenie początkowe wypływu paliwa z wtryskiwacza we współrzędnych X i Y; b) wyznaczono wartości zasięgu strugi paliwa dla pojedynczego zdjęcia analizując całą szerokość strugi wtryskiwanego paliwa na podstawie jego luminancji; d) uwzględniając czas między kolejnymi zdjęciami wyznaczono wartości prędkości przemieszczania się czoła strugi wtryskiwanego paliwa. c) wyznaczono wartość średniego zasięgu dawki wtryskiwanego paliwa; Rys. 5. Sposób wyznaczania liniowego zasięgu strugi w programie DaVis Liniowy zasięg strugi paliwa określono jako odległość strugi wtryskiwanego paliwa od miejsca jego wypływu z wtryskiwacza i odnoszona do średniej wartości z poszczególnych odległości strugi w zakresie jednego zdjęcia. Linowy zasięg oznacza prostopadłe usytuowanie osi kamery w stosunku do osi wtryskiwacza. Prędkość strugi paliwa określono jako średni zasięg strugi odniesiony do czasu trwania wtrysku paliwa. Z geometrii wtryskiwacza wiadomo, Ŝe kąt strugi wynosi 90 o. Biorąc pod uwagę fakt analizy obrazu płaskiego, rzeczywistą wartość prędkości czoła strugi uzyskano z zasięgu strugi zwiększonego o wartość wynikającą z zaleŝności geometrycznych (rys. 6).

3704 K. WISŁOCKI, I. PIELECHA, J. CZAJKA, D. MASLENNIKOV Struga paliwa Kamera l 1 = l 2 l 45 o l 1 Rys. 6. Analiza geometryczna strugi i sposób wyznaczenia rzeczywistych wartości prędkości czoła strugi wtryskiwanego paliwa 4. BADANIA WPŁYWU PRZECIWCIŚNIENIA NA ZASIĘG STRUGI PALIWA Sfilmowany zasięg strugi i symulacja wtrysku paliwa dla ciśnienia 5 MPa oraz dla wartości przeciwciśnienia 0,5 MPa i dla czasu 0,5 ms od początku wtrysku przedstawiono na rys. 7. Tak obliczone wartości prędkości przedstawiono na rys. 8. Wzrost przeciwciśnienia wpływa na znaczne ograniczenie prędkości strugi paliwa. Po czasie 0,2 ms występuje wyraźne zmniejszenie prędkości strugi paliwa. Po zakończeniu wtrysku zmiany są niezauwaŝalne. Ciśnienie paliwa P pal = 5 MPa, ciśnienie powietrza P pow = 0,5 MPa Czas [us] 100 300 500 Badania Symulacja Rys. 7. Obrazy zasięgu strugi paliwa podczas wtrysku wysokociśnieniowego benzyny do komory z przeciwciśnieniem i symulacja wtrysku (t wtr = 500 us)

SYMULACYJNA METODA ANALIZY ROZPYLENIA PALIWA 3705 P rędk ość [m /s ] 80 70 60 50 40 30 10 0 HPI-50-5---S HPI-50-15---S HPI-50-5-- HPI-50-15-- 0 0,5 1 1,5 2 Czas [ms] c P rędkość [m /s] 90 80 70 60 50 40 30 10 0 c HPI-0-5---S HPI-0-15---S HPI-0-5-- HPI-0-15-- 0 0,5 1 1,5 2 Czas [ms] Rys. 8. Porównanie wyników symulacji i badań stanowiskowych wpływu przeciwciśnienia i ciśnienia wtrysku paliwa na prędkość czoła strugi (P wtr = 5; MPa; t wtr = 500 us; przeciwciśnienia P pow = 0,5; 1,5 MPa) 5. OCENA POPRAWNOŚCI MODELU SYMULACYJNEGO W analizowanych badaniach uzyskano duŝą zgodność wyników symulacji z rzeczywistymi wartościami prędkości strugi paliwa. Uzyskiwane rozbieŝności są największe w początkowej fazie wtrysku, co moŝe wynikać z niedokładności metod optycznych wyznaczania początku strugi i jej zasięgu. Szczegółową analizę zasięgu wtrysku paliwa przedstawiono poniŝej. Wzrost wartości przeciwciśnienia (rys. 9) wyraźnie zmniejsza zasięg strugi wtryskiwanego paliwa. Kodowanie przebiegów zgodne jest z tab. 1. Charakter zmian zasięgu podczas wtrysku paliwa o ciśnieniu P wtr = MPa nie ulega zmianie w stosunku do wtrysku paliwa o ciśnieniu P wtr = 5 MPa. Odmienne są natomiast wartości samego zasięgu. Maksymalne mierzone wartości zasięgu strugi przy ciśnieniu wtrysku 5 MPa i przeciwciśnieniu 0,5 MPa wynoszą 50,2 mm a przy ciśnieniu P wtr = MPa i niezmiennym przeciwciśnieniu wynoszą 58,7 mm. Przy ciśnieniu wtrysku MPa zwiększenie przeciwciśnienia od 0,5 do 1,5 MPa powoduje zmniejszenie zasięgu strugi o 30%. Maksymalne zmiany zasięgu wynoszą 33% przy ciśnieniu wtrysku 5 MPa i zwiększeniu przeciwciśnienia od 0,5 do 1,5 MPa. c 70 70 60 60 50 50 Zasię g [mm ] 40 30 10 0 c 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Czas [ms] HPI-50-5---S HPI-50-15---S HPI-50-5-- HPI-50-15-- Zasię g [mm ] 40 30 10 0 c 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Czas [ms] HPI-0-5---S HPI-0-15---S HPI-0-5-- HPI-0-15-- Rys. 9. Porównanie wyników symulacji i badań stanowiskowych wpływu przeciwciśnienia powietrza na zasięg strugi wtryskiwanego paliwa (P wtr = 5; MPa; t wtr = 500 us; przeciwciśnienia P pow = 0,5; 1,5 MPa)

3706 K. WISŁOCKI, I. PIELECHA, J. CZAJKA, D. MASLENNIKOV Zasięg strugi paliwa obliczony podczas badań symulacyjnych jest większy. Wynika to z tego, Ŝe obserwacja kropel o małej średnicy jest skomplikowana i nie zawsze rejestrowana metodami optycznymi. Maksymalne róŝnica pomiędzy wynikami symulacji i badaniami zasięgu strugi wynoszą około 12% (dla P wtr = 5 MPa i przeciwciśnieniu 0,5 MPa, dla czasu t 1 = 1,9 ms od rozpoczęcia wtrysku). Zwiększenie ciśnienia wtrysku i przeciwciśnienia powoduje zmniejszenie róŝnicy pomiędzy wynikami symulacji i badaniami. Podczas pierwszej fazy wtrysku (do czasu około 0,7 ms) nie obserwuje się róŝnic w zasięgu strugi między badaniami symulacyjnymi i rzeczywistymi. Po tym czasie występują zmiany w uzyskanych zasięgach strugi paliwa, tym większe im mniejsze jest przeciwciśnienie powietrza. 6. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań i symulacji wtrysku paliwa stwierdzono, Ŝe: 1. Symulacja pozwala na dokładne określenie parametrów strugi paliwa, pod warunkiem właściwego uwzględnienia parametrów wejściowych strugi oraz geometrii wtryskiwacza. 2. Zasięg strugi paliwa obliczony podczas badań symulacyjnych jest większy. Wynika to z tego, Ŝe obserwacja kropel o małej średnicy jest skomplikowana i nie zawsze rejestrowana metodami optycznymi. 3. Podczas pierwszej fazy wtrysku (do czasu około 0,7 ms) nie obserwuje się róŝnic w zasięgu strugi uzyskanym dwoma metodami. Po tym czasie występują zmiany w zasięgach strugi paliwa, tym większe im mniejsze jest przeciwciśnienie powietrza. 4. Przeciwciśnienie powietrza znacznie silniej niŝ ciśnienie wtrysku paliwa oddziałuje na wartości zasięgu strugi paliwa. 5. Maksymalne wartości prędkości czoła strugi określone zostały w początkowej fazie wtrysku i wynosiły około 80 m/s. Wraz ze wzrostem przeciwciśnienia o 1 MPa maksymalne wartości prędkości zmniejszyły się o około 15%. Większe ciśnienia wtrysku powodują zmianę maksymalnych prędkości o 6%. Po czasie 0,2 ms od początku wtrysku występuje wyraźne zmniejszenie prędkości strugi paliwa. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 10-12 jako projekt badawczy Nr NN 502 088438. 7. BIBLIOGRAFIA [1] AVL FIRE ver. 09, ICE Physics&Chemistry. AVL Graz 09. [2] Befrui B., Corbinelli G., Robart D., Reckers W., Luxembourg G.D.: LES Simulation of the Internal Flow and Near-Field Spray Structure of an Outward-Opening GDi Injector and Comparison with Imaging Data, SAE Technical Paper 08-01-0137. [3] Davis 7.2. LaVision, Göttingen, Niemcy. www.lavision.de [4] Dukowicz, J.K.: A Particle-Fluid Numerical Model for Liquid Sprays, J. Comp. Physics, 35, 229-253, 1980. [5] Iyer C.O., Han Z., Yi J.: CFD Modeling of a Vortex Induced Stratification Combustion (VISC) System, SAE Technical Paper 04-01-0550.

SYMULACYJNA METODA ANALIZY ROZPYLENIA PALIWA 3707 [6] Kim S.-J., Kim Y.-N., Lee J.-H.: Analysis of the In-Cylinder Flow, Mixture Formation and Combustion Processes in a Spray-Guided GDI Engine, SAE Technical Paper 08-01-0142. [7] Lohfink C., Baecker H., Tichy M.: Experimental Investigation on Catalyst-Heating Strategies and Potential of GDI Combustion Systems, SAE Technical Paper 08-01- 2517. [8] Schwarz Ch., Schünemann E., Durst B., Fischer J., Witt A.: Potentials of the Spray- Guided BMW DI Combustion System, SAE Technical Paper 08-01-1265. [9] Szpica D.: Simulation tests on air flow through selected types of throttle bodies, Combustion Engines, PTNSS-10-SS1-105, 1/10 (140).