© Strojni{ki vestnik 47(2001)10,627-636 © Journal of Mechanical Engineering 47(2001)10,627-636 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 621.43.038:004.94 UDC 621.43.038:004.94 Pregledni znanstveni ~lanek (1.02) Review scientific paper (1.02) Obravnavanje curka plinskega olja Diesel-Spray Analysis Martin Volmajer - Breda Kegl V prispevku je obravnavan proces vbrizgavanja goriva in karakteristike curka dizelskega motorja z uporabo programa računske dinamike tekočin FIRE. Natančnost rezultatov, dobljenih s tem programom, je v veliki meri odvisna od pravilno postavljenih začetnih pogojev. Določevanje nekaterih pogojev je precej zahtevno, saj jih lahko določimo le na temelju izkušenj ali zahtevnih meritev v laboratoriju. V tem prispevku so na podlagi številnih zgledov in primerjav z rezultati, dobljenimi z znanimi empiričnimi izrazi za srednji Sauterjev premer kapljic, podane smernice za postavljanje začetnih pogojev. © 2001 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: motorji dizelski, šobe za vbrizgavanje, karakteristike curka, računska dinamika tekočin) The fuel injection process and the characteristics of the diesel-fuel spray were simulated using a computational fluid dynamics program FIRE. Initial conditions greatly influenced the accuracy of the results and these conditions can generally only be determined by complicated laboratory measurements. Guidelines to determine more realistic initial conditions based on comparisons of different practical results and empirical expressions for Sauters mean diameter of a droplet are given in the paper. © 2001 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: diesel engine, fuel injection nozzles, spray characteristics, computational fluid dynamics) 0 UVOD Sodoben dizelski motor mora ustrezati ekološkim in ekonomskim zahtevam. V prvi vrsti mora zagotoviti visoko razmerje med zmogljivostmi in porabo goriva, poceni vzdrževanje ter nenazadnje obratovanje v skladu z vedno strožjimi zakonskimi omejitvami glede največjih dovoljenih emisij produktov zgorevanja. Glede na to, da sta proces zgorevanja in tvorba nezaželenih sestavin ostankov zgorevanja v glavnem vodena s procesom vbrizgavanja in tvorbo curka razpršenega goriva, se veliko vlaga v razvoj novih oziroma izboljšavo sedanjih vbrizgalnih sistemov in analizo curka razpršenega goriva. V zadnjih letih pridobivajo pomen analize z uporabo programov računske dinamike tekočin (RDT -CFD), saj predstavljajo razmeroma preprost način analiziranja procesov vbrizgavanja pri novih, pa tudi spremenjenih sedanjih vbrizgalnih sistemih. Z uporabo paketov RDT lahko prihranimo precej časa namenjenega izdelavi in testiranju vbrizgalnih sistemov. S simuliranjem procesa na računalniku lahko v razmeroma kratkemčasu testiramo veliko število različic ter tako že v začetni fazi izločimo tiste, ki ne prinašajo želenih rezultatov. 0 INTRODUCTION A modern compression-ignition engine should meet ecological and economic requirements. First of all it should have a high ratio of performance to fuel consumption, low maintenance costs and it should be able to operate within prescribed emission regulations. As the process of combustion and the re-sulting emission of pollutants and noise is mainly affected by the process of fuel injection, a lot of ef-fort is put into developing new or improving existing fuel-injection systems as well as into the analysis of the fuel spray. In recent years, analysis using computa-tional fluid dynamics (CFD) programs became impor-tant since this is a relatively easy way to analyse fuel-injection processes in new or re-designed fuel-injection systems. Using CFD programs, a lot of the manufacturing and experimental work is unecessary, since there is no need to produce every design variant. Many variants can be tested using a simulation on the computer. Those variants that show no sig-nificant improvement can be eliminated at an early stage. gfin^OtJJIMISCSD 01-10 stran 627 |^BSSITIMIGC M. Volmajer - B. Kegl: Obravnavanje curka plinskega olja - Diesel-Spray Analysis V avtomobilski industriji se uporablja več The automotive industry uses many differ- računalniških paketov računske dinamike tekočin. ent CFD packages. FIRE, which was produced by Eden izmed teh je program FIRE izdelovalca AVL. FIRE AVL Graz, uses the finite-volume method for the uporablja metodo končnih prostornin za analiziranje analysis of the fluid flow characteristics. As it is toka tekočine. Glede na to, da je v prvi vrsti namenjen mainly used by the automotive industry internal com- avtomobilski industriji oziroma uporabi na motorjih z bustion engines, it also includes the spray (two-phase notranjim zgorevanjem, vključuje tudi modula za flow) and combustion modules [1]. simuliranje curka razpršene tekočine in procesov To use the spray module we must begin zgorevanja [1]. with appropriate initial conditions and have an un- Uporaba tega modula in s tem določitev derstanding of fuel-spray formation. Nozzle dimen- začetnih pogojev zahteva dobro poznavanje in sions and the initial conditions are defined prior to razumevanje procesov tvorbe curka goriva. Izmere šobe the investigation in the so-called Spray file. Besides in začetni pogoji se pred začetkom analize definirajo v setting the measured or otherwise known values t.im. “spray” datoteki. Zraven določitve preprosto such as nozzle geometry (number of nozzle holes, merljivih oz. znanih vrednosti, kakor so: geometrijska nozzle hole angles, etc.), injection characteristics oblikašobe (številošob in odprtinšobe, koti porazdelitve and quantity of the injected fluid, other parameters odprtin itn.), karakteristika vbrizgavanja ter količina that depend on estimations or experiences must also vbrizganega goriva, je treba definirati tudi parametre, ki be set. These parameters are the initial droplet di- jih lahko v veliki večini določimo le na temelju ocen mensions, the initial droplet probability distribution oziroma izkušenj. To so: velikost kapljic in verjetnostna defining the probability of certain droplet dimen- porazdelitev kapljic, ki določa verjetnost, da se kapljica sion appearing, and the radial velocity of the fuel z določenim premerom pojavi v zgorevalni komori, ter outflow from the nozzle hole, by which the spray kot pri vrhu stožca in radialna komponenta hitrosti cone angle is defined. iztekanja goriva iz šobe, ki določata obliko stožca. To exactly define the above-mentioned ini- Natančna določitev omenjenih začetnih tial conditions requires expensive experimental equip- pogojev zahteva drago eksperimentalno opremo. Za ment, often these values can be known only by un- razmeroma natančno določitev pa pogosto zadostuje derstanding the full background of the fuel-injection že dobro poznavanje procesa vbrizgavanja in tvorbe and spray-atomisation processes. The purpose of curka. V ta namen smo se odločili, da z analiziranjem this study was to establish how the initial conditions različnih primerov vbrizgavanja ugotovimo, kako affect the mean value of the calculated droplet diam- omenjeni začetni pogoji vplivajo na izračunano eter in the chamber. The values calculated using the velikost kapljic v komori. Hkrati smo izračunane CFD package were subsequently compared with the vrednosti primerjali z rezultati, dobljenimi na podlagi results from the empirical equations for the calcula- znanih empiričnih izrazov za izračun d32. tion of d32. 1 KARAKTERISTIKE CURKA GORIVA 1 FUEL-SPRAY CHARACTERISTICS Pri procesu zgorevanja v dizelskem motorju The fuel is introduced into the combustion dovajamo gorivo v zgorevalni prostor v obliki curka chamber of a Diesel engine through one or more skozi šobo z eno ali več odprtin. Strnjeni valjasti curek, nozzles or orifices. The liquid column leaving the ki z veliko tlačno razliko izstopa iz odprtine v valj v neki nozzle hole under high pressure, disintegrates within končni dolžini-dolžini trganja, razpade na kapljice the cylinder over a finite length called the break-up različnih velikosti. V trenutku, ko tekočina zapusti length. As the liquid moves away from the nozzle the odprtino, se poveča količina zraka v curku, curek se mass of air within the spray increases, the spray then cepi in širi, hitrost gibanja iztekajoče se tekočine pa se diverges, its width increases, and its velocity de- s tem zmanjšuje. Največjo dolžino, ki jo prepotujejo creases. The maximum length the droplets travel is kapljice, imenujemo domet curka. Curek vbrizganega called the spray-tip penetration. Diesel-fuel spray goriva v dizelskem motorju ima običajno stožčasto usually has a conical shape with an angle 6. This obliko s kotom 6 pri vrhu stožca. Takšen način razpada type of disintegration is called atomisation [2]. curka imenujemo atomizacija [2]. The quantities presented above are the mac- Navedene veličine pomenijo makroskopske roscopic parameters of the spray, representing the veličine curka, ki predstavljajo porazdelitev goriva fuel distribution in the combustion chamber. At the po celotnem zgorevalnem prostoru, medtem ko other side the droplet size, i.e. quality of the velikost kapljic oziroma kakovost razpršitve curka atomisation, represents the microscopic parameters. pomeni mikroskopsko veličino. Običajno so mikro These microscopic parameters are usually defined karakteristike curka podane s porazdelitvenimi with probability functions, defining the probability funkcijami, te pomenijo verjetnost pojavljanja kapljice of the appearance of a droplet with a certain diameter. z določenim premerom. V praktičnih primerih se It is usual to use droplet mean diameters rather than 0 srinataleflMllBilrSO | ^BSfiTTMlliC | stran 628 i M. Volmajer - B. Kegl: Obravnavanje curka plinskega olja - Diesel-Spray Analysis namesto porazdelitvenih funkcij uporabljajo srednji premeri kapljic [2]: probability functions. The droplet mean diameter is defined as [2]: m max dkdN 1 j-k (1), kjer sta N - število kapljic, d - premer kapljice. where N is the number of droplets and d is the drop- Najpogosteje se pri procesih vbrizgavanja uporablja let diameter. For fuel-injection processes we usually Sauterjev srednji premer: choose the Sauter mean diameter: d=i d 2 (2), ki pomeni razmerje med celotno prostornino in i which is defined as the ratio of the sum of the drop- površino kapljic. Za izračun d 2 obstajajo številni lets’ volumes to the sum of the droplets’ surfaces. empirični izrazi, med katerimi so najpogosteje For the calculation of d32 several empirical equations uporabljeni empirični izrazi naslednjih avtorjev: [3] were presented by different authors. Some commonly en. (3), [4] en. (4), [5] en. (5), [6] en.(6), [7] en. (7) in used examples are: [3] eq. (3), [4] eq (4), [5] eq (5), [6] (8): eq. (6), [7] eq (7) and (8): d32(m) 2,39•10-3.Dp-0,135.ra0,121.qc0i,k3e1l d32 (mm) d32 (mm) =124,77 585000 0 s 0 K ra \rfJ 0,25 1+ 3, 31mf d32(m) = 3-105Dp-0,458G0f ,209n0f ,216 ysfrfdh 0,916 A V d,ef J d32(um) = 324,6 rau02d sf J d32(\m) 6156n 0,385s 0,737 0,737 0,06 rfdhsf m2f r 0f ,737 ra0,06Dp- (3) (4) (5) (6) (7) (8) kjer so: Dp - tlačni padec, qikel - količina vbrizganega goriva na cikel, Gf - pretok goriva, u0 - hitrost na izstopu iz šobe, u - hitrost gibanja zraka, rf - gostota goriva, m a - gostota zraka, sf - površinska napetost goriva, f - dinamična viskoznost goriva, nf -kinematična viskoznost goriva, dh - premer odprtine šobe, Ad - prerez odprtine šobe in Ad f - efektivni prerez odprtine šobe. Vse vrednosti se vstavljajo v enotah SI, razen v en. (5) dh v mm, en.(6) Gh v kg/h in v en.(8) Dp v bar. 2 ŠTEVILČNI PRIMERI Analiza curka je narejena z uporabo programa FIRE v62b na delovni postaji Hawlett Packard. Proces vbrizgavanja oz. curek je obravnavan na tridimenzionalnem modelu v obliki valja (pregl. 1), ki predstavlja zgorevalno/vbrizgalno komoro. Šoba je postavljena v središče zgornje ploskve valja. Analiza je izvedena na šobah s štirimi odprtinami (4 x 0,35 mm, 4 x 0,25 mm in 4 x 0,40 mm). Lega šobe in izmere so predstavljeni na sliki 1 in v preglednici 2. where: Dp is the pressure difference, qcikel is the quantity of fuel injected per cycle, Gf is the fuel flow, u0 is the velocity at the nozzle outflow, ua is the air velocity, rf is the fuel density, ra is the air density, sf is the surface tension of the fuel, mf is the dynamic viscosity of the fuel, nf is the cinematic viscosity of the fuel, d is the nozzle hole diameter, Ad is the nozzle hole cross-sectional area and Ad,f is the effective nozzle hole cross-sectional area All values are in the SI system, except in eq (5), where