Экспериментальные результаты оптического контроля качества распыливания топлива при изменении способа топливоподачи и диаметра сопла распылителя

В статье приводятся полученные в результате лабораторных исследований с применением оптического метода контроля качества распыливания топлива экспериментально найденные закономерности поведения оптической неоднородности топливной струи и ее зависимости от способа топливоподачи и площади эффективного проходного сечения сопла распылителя.

Ключевые слова: качество распыливания, оптическая неоднородность, способ топливоподачи, диаметр сопла.

Важным элементом совокупности процессов, протекающих в дизеле, является процесс распыливания топлива распылителем форсунки, в результате которого происходит распределение капель топлива по объему камеры сгорания. От качества этого процесса, длящегося до 6 мс, зависит последующее сгорание рабочей смеси и, следовательно, выходные характеристики двигателя: экономичность, экологичность, мощность.

Согласно ГОСТ 10579–88 [1], при визуальном наблюдении качественно распыли-ваемое топливо должно быть туманообразным, без сплошных струек и легко различимых местных сгущений. Качество распыливания определяют мелкостью, однородностью распыливания, равномерностью распределения капель топлива в объеме струи [2].

Поскольку распыливание топлива — быстропротекающий процесс, в АлтГТУ было разработано средство оптического контроля качества распыливания топлива на базе скоростной видеокамеры «ВидеоСпринт» производства ЗАО «НПК Видеоскан» [3]. Обработка изображений и исследования проводились на основе оптического метода [4] при помощи разработанного программного обеспечения [5–7].

Оптическая неоднородность струи (рисунок 1) вызвана истинной неоднородностью распыливания и неравномерным распределением капель топлива в пространстве. В центральной части и основании струя более тёмная, на периферии и переднем фронте — более светлая. Объясняется это тем, что при прохождении света через распыленную струю, в результате уменьшения светового потока, прошедшего в зонах с высокой концентрацией капель топлива, область этой зоны на изображении будет соответствовать меньшей яркости (тёмным оттенкам), и наоборот.

Рис. 1. Визуализация оптической неоднородности струи

Более качественно распыленная струя топлива имеет гистограмму распределения яркостей, в которой средние яркости доминируют, и чем больше максимум средних яркостей на гистограмме, тем лучше качество распыливания, и наоборот. Объясняется это тем, что в такой струе участки с плотной концентрацией капель и с разреженной концентрацией капель уступают по площади средним участкам, что соответствует более равномерному распыливанию. При помощи графиков и гистограмм динамики изменения во времени площадей яркостных зон исследуется динамика изменения оптической неоднородности распыливания. Чем больше наблюдаемая оптическая неоднородность, тем хуже качество распыливания, и наоборот.

Для апробации работы средства оптического контроля качества распыливания топлива были проведены эксперименты. Выясним зависимость качества распыливания от способа топливоподачи — наличия или отсутствия пилотной порции топлива. Пилотной порцией топлива называют небольшую порцию топлива, подаваемую в форсунку незадолго до подачи основной цикловой порции топлива. Пилотная порция топлива легко воспламеняется, поэтому она как бы «поджигает» следующую сразу за ней основную цикловую порцию топлива. На рисунках 2 и 3 представлены графики и гистограммы шести яркостных зон для шести различных экспериментов, в которых меняются два фактора — давление впрыска и наличие или отсутствие пилотной порции топлива. Исходные данные для всех шести измерений: топливо — дизельное топливо (соляра) при комнатной температуре, четырехдырчатый распылитель с эффективным проходным сечением m_f = 0,21 мм², частота вращения вала двигателя 1750 об/мин, система топливоподачи Common Rail, частота съемки видео — 7042 кадра в секунду. Было отобрано 5 циклов распыливания по 23 кадра каждое, затем результаты усреднялись. Гистограммы были построены для кадров с 5 по 19 (с 568 по 2556 мкс).

На рисунке 2 линии характеризуют изменение во времени площадей шести яркостных зон в диапазоне яркостей от 0 до 180 градаций АЦП. По оси ординат на рисунках 2 и 3 приведены площади яркостных зон, нормированные к максимальной площади струи.

Заметно, что линии на графиках 2,а,в,д постепенно растут, затем спадают, а на графиках 2,б,г,е у соответствующих линий наблюдается рост и спад дважды. Это объясняется тем, что сначала в форсунку подаётся пилотная порция топлива, «пилотная струя» распыливается, после чего подаётся основная цикловая порция топлива и начинается распыливание «основной струи», что вновь характеризуется ростом указанных линий и их постепенным спадом в процессе распада струи. При этом общая продолжительность распыливания в случае наличия пилотной порции топлива удлиняется.

Рис. 2. Динамика изменения во времени оптической неоднородности струи в зависимости от давления впрыска и наличия пилотной порции топлива (в легенде указаны отрезки яркостных зон струи в градациях АЦП)

Рис. 3. Гистограммы площадей яркостных зон из рисунка 2 (время от 568 до 2556 мкс)

С повышением давления впрыска качество распыливания улучшается, увеличивается максимум тёмных зон, но уменьшается время их распада. Например, при распыливании без пилотной порции яркостная зона № 2 (диапазон яркостей от 30 до 59 градаций АЦП) при давлении 60 МПа имеет максимум 0,18 и время распада 2,0 мс, а при давлении 180 МПа имеет максимум 0,31 и время распада 1,8 мс (рисунки 2,а и 2,д). При распыливании с пилотной порцией яркостная зона № 2 (тот же диапазон яркостей) основной порции топлива при давлении 60 МПа имеет максимум 0,18 и время распада 2,7 мс, а при давлении 180 МПа имеет максимум 0,29 и время распада 2,4 мс (рисунки 2,б и 2,е). Объясняется это тем, что с повышением давления впрыска увеличивается скорость развития струи, а интервал времени для всех измерений задан одинаковым. Иными словами, увеличение давления впрыска укорачивает время распыливания, делая его более интенсивным. На гистограммах темные яркостные зоны со временем уменьшаются, а светлые увеличиваются. Это объясняется тем, что со временем струя развивается, её площадь увеличивается, при этом тёмные зоны исчезают (распадаются) и доминируют светлые яркостные зоны. Последние также распадаются, но в более позднее время.

Проанализировав результаты свыше 70 экспериментов был сделан вывод, что качество распыливания существенным образом не зависит от наличия пилотной порции топлива (структура струи при наличии пилотной порции топлива не ухудшается). Это объясняется тем, что в случае с пилотной порцией топлива мы имеем дело как бы с «двойным» впрыском, т. е. из распылителя выходят последовательно с очень малым интервалом две струи. Действительно, структура струи будет зависеть от давления впрыска, топлива, диаметра сопла и других существенных факторов, но не от количества самих струй, выходящих из распылителя за единицу времени. Пилотную порцию топлива применяют для улучшения сгорания топлива, но не для улучшения качества распыливания.

Выясним влияние показателя m_f распылителя на качество распыливания. m_f — эффективное проходное сечение, характеризующее пропускную способность отверстия(ий) корпуса распылителя. На рисунках 4 и 5 представлены графики и гистограммы шести яркостных зон для трех экспериментов, в которых исследовалась зависимость качества распыливания от показателя m_f распылителя. Исходные данные для всех измерений: топливо — рапсовое масло при комнатной температуре, четырехдырчатые распылители с различным m_f, давление впрыска 100 МПа, без пилотной порции топлива, частота вращения вала двигателя 1750 об/мин, система топливоподачи Common Rail, частота съемки видео — 3521 кадр в секунду. Было отобрано 5 циклов распыливания по 14 кадров каждое. Гистограммы были построены для кадров с 3 по 12 (с 568 по 3124 мкс).

Рис. 4. Динамика изменения во времени оптической неоднородности струи в зависимости от показателя m_f распылителя (в легенде указаны отрезки яркостных зон струи в градациях АЦП)

На рисунке 4 линии характеризуют изменение во времени площадей шести яркостных зон в диапазоне яркостей от 0 до 170 градаций АЦП. По оси ординат на рисунках 4 и 5 приведены площади яркостных зон, нормированные к максимальной площади струи.

По анализу гистограмм и графиков было сделано заключение, что наиболее качественную струю топлива выдает распылитель с показателем m_f равным 0,21 мм². Для этого распылителя свойственно большее число гистограмм, в которых площади средних яркостных зон доминируют и имеют ярко выраженный максимум. Незначительно отличается от него распылитель с m_f = 0,23 мм². С ростом m_f ухудшается структура струи, причем для m_f = 0,25 мм² это более заметно. Объясняется это тем, что меньшему m_f соответствует меньший диаметр соплового отверстия, а меньшему диаметру соплового отверстия, как известно из литературных источников, соответствует более качественное распыливание топлива (например, [8, с. 46]).

Рис. 5. Гистограммы площадей яркостных зон из рисунка 4 (времч с 568 по 3124 мкс)

Также отмечено, что с ростом m_f снижается максимум темных зон струи рапсового масла (для m_f = 0,25 мм² площади указанных яркостных зон растут слабо) и увеличивается максимум самой светлой яркостной зоны. Эта особенность была отмечена и при других давлениях впрыска (для этих же распылителей, при тех же оборотах вала двигателя).

Возможно оценивать качество распыливания также и при изменении других факторов: давления впрыска, системы топливоподачи, вида топлива, температуры топлива, оборотов вала двигателя и др. [9]. Результаты апробации средства контроля согласуются с литературными данными. На основе изучения оптической неоднородности струи, вызванной истинной неоднородностью распыливания и неравномерностью распределения капель в топливной струе, возможно делать вывод о ее качестве и таким образом сравнивать качество распыливания различных видов топлив различными топливными распылителями при различных условиях впрыска.

Литература:

1.         ГОСТ 10579–88. Форсунки дизелей. Общие технические условия. — Введ. 1990–01–01. — М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. — 8 с.

2.         Разлейцев, В. Н. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях: монография / В. Н. Разлейцев. — Харьков: Вища школа, 1980. — С. 23.

3.         Еськов, А. В. Средство оптического контроля качества распыливания топлива с использованием скоростной видеосъемки / А. В. Еськов, А. В. Маецкий // Контроль. Диагностика. — 2013. — № 3. — С. 71–74.

4.         Еськов, А. В. Оптический метод исследования процесса распыливания рапсового и дизельного топлива / А. В. Еськов, А. В. Маецкий, А. М. Сагалаков // Датчики и системы. — 2013. — № 5. — С. 21–24.

5.         Программа для раскадровки и обрезки кадров видеоизображений топливных струй: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / А. В. Еськов, А. В. Маецкий; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова». — № 2012615905; дата поступления 04.05.2012; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27.06.2012.

6.         Маецкий, А. В. Программное обеспечение оптического комплекса исследования и контроля качества струи распыленного топлива / А. В. Маецкий // Материалы Между-народной заочной научной конференции «Технические науки: теория и практика» (ап-рель 2012). — Чита: Изд-во «Молодой ученый», 2012. — С. 16–19.

7.         Программа для обработки изображений топливных струй и расчета площадей оптических неоднородностей: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / А. В. Маецкий, А. В. Еськов, С. И. Гибельгауз; заявитель и правообладатель Маецкий А. В. — № 2012616678; дата поступления 01.06.2012; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 25.07.2012.

8.         Кутовой, В. А. Впрыск топлива в дизелях / В. А. Кутовой. — М.: Машиностроение, 1981. — 120 с.

9.         Еськов, А. В. Экспериментальные результаты оптического контроля качества распыливания топлива с использованием скоростной видеосъемки / А. В. Еськов, А. В. Маецкий, С. В. Яковлев // Материалы XI Международной заочной научно-практической конференции «Технические науки — от теории к практике» (г. Новосибирск, 25 июня 2012 г.). — Новосибирск: Изд-во «Сибирская ассоциация консультантов», 2012. — С. 91–96.