TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta strojní

Bakalářská práce

Stanice pro zkoušení trysek pro injektáž plynného paliva

2004 Milan Hanuš

Technická univerzita v Liberci

Fakulta strojní

Katedra strojů průmyslové dopravy

Obor: 23 – 81 – 7 Strojírenství Zaměření: dopravní stroje a zařízení

Stanice pro zkoušení trysek pro injektáž plynného paliva

KSD – BP – 69

Milan Hanuš

Vedoucí diplomové práce: Doc.Ing. Celestýn Scholz,Ph.D., TU Liberec Konzultant diplomové práce: Ing. Hynek Drozda , TU Liberec

Počet stran: 49 Počet příloh: 1 Počet výkresů: 7

V Liberci 14. 1. 2004

TÉMA: Stanice pro zkoušení trysek pro vefukování paliva ANOTACE:

Práce se zabývá obecným rozborem problematiky vefukovacích palivových trysek

v návaznosti na palivové trysky vstřikovací. Dále pak tvorbou směsi v závislosti na chování palivových trysek u pístových spalovacích motorů. V závěru je projekčně-konstrukční návrh zkušební stanice, s injektáží vzorkovaného plynného média do nádrže s konstantním tlakem.

Cílem zkoušení trysek je určení jejich parametrů a jejich případná optimalizace.

THEME: Test facility for testing of gaseous fuel injection nozzles ANNOTATION:

This work deals with a general analysis of air-blast fuel nozzles in connection with fuel injector nozzles and furthermore with a creation of mixtures according to the behavior of fuel nozzles in piston combustion engines. In conclusion, there is a projection and construction design of a testing room for injecting of sampled gaseous mixtures into a room with a constant pressure. The determination of parameters was the aim of the testing.

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo) a § 35 (o nevýdělečném užití díla k vnitřní potřebě školy).

Beru na vědomí, že TU Liberec má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé diplomové práce (prodej, zapůjčení apod.).

Jsem si vědom toho, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TU Liberec, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).

V Liberci 14. ledna 2004 …..………..

Milan Hanuš

Místopřísežné prohlášení

Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury pod vedením vedoucího diplomové práce.

V Liberci dne 14. 1. 2004 ………..

Milan Hanuš

Poděkování

Na tomto místě chci poděkovat svým rodičům za to, že mě svými prostředky podporovali při studiu.

Dále pak vedoucímu bakalářské práce Doc. Ing. Celestýnovi Scholzovi, Ph.D.a konzultantovi bakalářské práce Ing. Hynkovi Drozdovi, bez jejichž pomoci, cenných rad a podpory při řešení problémů, by tato práce a z ní vytvořená zkušební stanice nevznikla. Taktéž chci vyjádřit dík těm, kdo mi poskytli prostředky pro napsání práce a těm, kteří svými radami a nápady mi pomohli zvýšit úroveň práce.

Obsah:

Zadání

Anotace, Anotation Prohlášení o autorství Poděkování

Obsah 7

1. Úvod 8

2. Způsob přípravy směsi u zážehových motorů 11

2.1. Vnější tvorba směsi 11

2.2. Vnitřní tvorba směsi 13

2.2.1. Konstrukce motoru s vnitřní tvorbou směsi 13

2.2.2. Charakter vnitřní tvorby směsi 14

2.2.3. Aerodynamika ve spalovacím prostoru 16

3. Palivové trysky zážehového motoru 18

3.1. Palivové trysky pro kapalná paliva 21

3.1.1. Trysky pro vnější tvorbu směsi 21

3.1.2. Trysky pro vnitřní tvorbu směsi 24

3.2. Palivové trysky pro plynná paliva 24

3.2.1. Trysky pro vnější tvorbu směsi 24

3.2.2. Trysky pro vnitřní tvorbu směsi 25

4. Parametry vefukovacích trysek 26

4.1. Proudění v tryskách a difuzorech bez tření 28

4.1.1. Výtok nerozšířenou tryskou 28

4.1.2. Průtok Lavalovou tryskou (rozšířená tryska) 29

4.2. Charakter proudění po výstupu z trysky 30

5. Měření parametrů trysek 31

5.1. Výfuk plynu do volného ovzduší 32

5.2. Výfuk plynu do vířivého prostoru 32

5.2.1. Integrační metody 33

5.2.2. Anemometrické metody 34

5.2.3. Vizualizační metody 35

6.2. Aplikace anemometrické metody PIV na zkušební stanici 38 6.3. Aplikace vizualizační metody na zkušební stanici 42

6.4. Ovládání stanice při měření 44

7. Realizace stanice 46

8. Závěr 47

Použitá literatura 48

Seznam výkresů 49

SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A OZNAČENÍ

A a^*

[m²] [m.s^-1]

průřez

kritická rychlost zvuku

b [ m ] šířka

c c_p cv

[m.s^-1] [J.kg^-1.K^-1] [J.kg^-1.K^-1]

rychlost

měrná tepelná kapacita při stálém tlaku měrná tepelná kapacita při stálém objemu

d [ m ] délka

g [m.s^-2] tíhové zrychlení h [J.kg^-1] měrná entalpie

p [ Pa ] tlak

q [J.kg^-1] měrné zdělené teplo

T [K] termodynamická teplota

u [J.kg^-1] měrné vnitřní energie v [m³.kg^-1] měrný objem

V [ m³ ] objem

w [J.kg^-1] měrná práce x,y,z

ρ

[m]

[kg.m^-3]

souřadnice hustota

λ [-] součinitel přebytku vzduchu

a*

La= c Lavalovo číslo

a

Ma= c Machovo číslo

v p

c

k = c Poissonovo číslo

1. Úvod

Jedním z nejzávažnějších problémů současné doby je rychle postupující a stále se zvyšující devastace životního prostředí. Na znečištění ovzduší nežádoucími zplodinami má značný vliv doprava, která se podílí na spotřebě energie v rozsahu cca 13 až 20 %.Hlavní podíl na spotřebu kapalných pohonných hmot připadá na silniční a železniční dopravu. I když stále hlavním zdrojem znečištění zůstává provoz tepelných elektráren, dochází v posledních letech k intenzivnímu nárůstu silničního provozu. Na tento jev je třeba reagovat snahou o snížení škodlivých emisí motorových vozidel. Jde zejména o sledování koncentrace oxidu uhelnatého(CO), oxidu siřičitého(SO2),oxidu dusíku(NOx), nespálených uhlovodíků(CH) a pevných částic(PM), ale i polyaromatických uhlovodíků, benzenů a nižších aldehydů.

Z tohoto důvodu se snažíme o splnění stále se zpřísňujících emisních limitů (EURO I- IV).Dále je snahou tyto požadavky plnit bez podstatného zhoršování dříve dosažených parametrů výkonu, spotřeby paliva, ale i životnosti a provozní spolehlivosti. Dosavadní výsledky potvrzují, že pístové spalovací motory budou pro příští desetiletí stále základní hnací jednotkou, schopnou plnit již zmiňované emisní limity a zajistit tak spolu s ostatními opatřeními, že se nebude v budoucích letech životní prostředí vlivem negativních účinků provozu, dále zhoršovat.

Jednou z cest ke splnění výše uvedených požadavků vede k náhradě kapalných pohonných hmot, především benzínu a motorové nafty jinými alternativními a pro životní prostředí příznivějšími zdroji energie.

V poslední době se uplatňuje nejvíce, náhrada klasických kapalných paliv palivy plynnými.

K těmto účelům se v posledních letech nejvíce používají zkapalněné uhlovodíkové plyny (LPG – Liquefied Petroleum Gas), stlačený zemní plyn (CNG – Compressed Natural Gas), zkapalněný zemní plyn (LNG – Liguefied Natural Gas) a nebo i další paliva odvozená ze zemního plynu jako je například (GTL – Shell Gas to Liquit) od firmy Shell. (vykazuje podobné emisní charakteristiky jako stlačený zemní plyn, ovšem při nižších nákladech).

Za velmi perspektivní palivo je považován vodík, který má velkou hustotu energie a jeho spalování je ekologicky velmi čisté. K jeho dalším výhodám patří i jeho téměř nevyčerpatelné množství ukryté ve vodních zdrojích. Problémem však prozatím zůstává jeho ekonomicky a ekologicky nevýhodné získávání v průmyslovém měřítku.

Další možnou cestou ke splnění výše uvedených požadavků je zdokonalování procesu spalování plynných i kapalných paliv. Tímto se dostáváme k optimalizaci způsobu tvorby

směsi pístových spalovacích motorů, na kterou mají mimo jiné velký vliv palivové trysky .

2. Způsoby přípravy směsi u zážehových motorů

Jedním z nezbytných předpokladů k získání požadovaných výkonových parametrů motoru je příprava paliva se vzduchem a její následné spalování [1].

Příprava směsi u karburátoru závisí hlavně na rychlosti proudění vzduchu ve směšovacím kanálu, mění se v širokém rozmezí různých režimů chodu motoru.

Příprava směsi u vstřikovacích zařízení zaručuje vhodnou atomizaci paliva ve všech režimech motoru a ta je závislá hlavně na použité vstřikovací trysce a velikosti vstřikovacího tlaku paliva. Zároveň lze vstřikováním ovlivnit vrstvení paliva, vhodným umístěním vstřikovací trysky ve spalovacím prostoru, a tím zlepšit vlastní proces spalování a složení spalin.

Ve spalovacích motorech se používají dva způsoby vstřikování paliva:

Vnější tvorba směsi (nepřímé vstřikování) – příprava směsi vně válce. Do válce je přiváděna již připravená směs.

Vnitřní tvorba směsi (přímé vstřikování) - příprava směsi uvnitř válce. Zde se válec plní vzduchem a palivo je do něho přiváděno dodatečně.

Jedním z požadavků na připravovanou směs je, aby byla homogenní, tj. aby palivo bylo ve vzduchu rozmístěno natolik rovnoměrně, že v blízkosti každé molekuly paliva bude stejný počet molekul kyslíku. Z čehož vyplývá, že snadnější příprava směsi je u plynných paliv. U kapalných paliv musíme nejdříve zajistit jejich odpaření.

2.1 Vnější tvorba směsi

Palivo vstřikujeme, buď do sacího potrubí obr.1 nebo do sacího kanálu (tzv.polopřímé vstřikování obr.2.)

Podle způsobu vstřikování rozeznáváme:

- jednobodové (monopoint, centrální) - vícebodové (multipoint)

Jednobodové vstřikování: vstřik probíhá v jednom místě sacího potrubí společném pro všechny válce.Nevýhodou je rozdělení směsi, které je v různých provozních stavech chodu motoru nerovnoměrné. Důvodem jsou rozdíly v délkách sacích cest k jednotlivým válcům.

Vícebodové vstřikování: vstřikování probíhá pro každý válec samostatně tz.vstřikovací ventil pro každý válec.Tímto je zajištěno rovnoměrné rozdělení směsi.

Nepřetržité vstřikování: je to v podstatě jistým vylepšením karburátoru. Vstřikovací trysky jsou umístěny ve větší vzdálenosti od sacího ventilu. Dochází tedy stejně jako u

karburátoru k velkému smáčení stěn sacího potrubí, které při proměnlivých

režimech vede ke zvyšování škodlivin ve výfukových plynech. Palivo je vstřikováno tryskami tlakem 0,15 ÷ 2,5 Mpa. Příprava směsi pro chod na prázdno a pro částečné zatížení není tak dokonalá, jako u časovaného vstřiku.(představitelem tohoto typu vstřikování je vstřikovací čerpadlo firmy Tecalemit Jackson, používané hlavně u sportovních vozů.)

Časované vstřikování do sacího potrubí – při tomto vstřikování je palivo vstřikováno v přesně stanovených okamžicích. Trvání vstřiku je krátké a úspěch tohoto systému závisí hlavně na způsobu regulace vstřikovacího čerpadla. Palivo je vstřikováno tryskami o tlaku 1,5 ÷ 2,5 Mpa. S výhodou se dá použít i tzv. polopřímé vstřikování paliva, kdy je tryska umístěna co nejblíže sacímu ventilu nebo v hlavě válců a vstřikuje do sacího potrubí nebo přes otevřený sací ventil do spalovacího prostoru motoru obr.2. To umožňuje určitým způsobem i vrstvení směsi, čímž se částečně zvyšuje odolnost proti klepání, ochlazuje se vnitřní prostor válce, zvyšuje se stupeň plnění a tím i výkon. (mezi nejznámější typy patří vstřikovací čerpadla Lucas, Kugelfisher, Spica a Bosch).

obr.1 obr.2

2.2 Vnitřní tvorba směsi

V roce 1998 vyvinula firma Mitsubishi první systém přímého vstřikování benzínu pro automobilové zážehové motory. Vzápětí začaly pracovat na zavedení systému přímého vstřikování i evropské firmy v čele s firmou Bosch, která je v současnosti špičkou. Princip přímého vstřikování paliva u zážehových motorů však není nic nového. Ve třicátých letech se přímé vstřikování často používalo u leteckých motorů. Mnohem později vyvinula firma Mercedes ve spolupráci s firmou Bosch systém DI pro přímé vstřikování paliva u vznětového motoru. Zkušenosti s vývojem vstřikování u vznětového motoru pak využila firma Bosch při konstrukci a vývoji přímého vstřikování paliva pro zážehové motory. Systémy přímého vstřikování paliva jsou výkonově a konstrukčně srovnatelné s klasickými vstřikovacími systémy, avšak oproti nim vykazují snížení spotřeby paliva o 5 – 40 % a výrazné snížení emisí CO.

V současnosti jsou v Evropě nejvíce rozšířeny tyto systémy přímého vstřikování:

FSI (Fuel Stratified Injection – sekvenční vstřikování benzínu) vyráběné firmou Bosch pod označením BDE.

HPI (High Pressure Injection – vysokotlaké vstřikování) od firem Peugeot a Citroën.

IDE (sekvenční vstřikování) firmy Renault.

2.2.1 Konstrukce motoru s vnitřní tvorbou směsi

Přímé vstřikování paliva vyžaduje některé zásahy do konstrukce hlavy válců obr.3. Hlavní změny se týkají konstrukce sacích ventilů, které jsou oproti klasické konstrukci vedeny kolměji k osám válců. To umožňuje rozvíření proudu nasávaného vzduchu. Druhou změnou je uchycení vstřikovacích ventilů přímo v hlavě válců. Poslední změnou je úprava dna pístu, kde je vytvořen speciální tvarovaný nálitek, jehož úkolem je směřování vstřikovaného paprsku paliva do prostoru pod zapalovací svíčkou.

Obr.3. Konstrukce spalovacího prostoru u motoru s vnitřní tvorbou směsi:

1.sací kanál 2.svíčka

3.vstřikovací ventil

(tlak vstřikování:3až10MPa) 4.vstřik paliva

5.kompresní zdvih 6.vířivý pohyb směsi

obr.3

2.2.2 Charakter vnitřní tvorby směsi

- vrstvená směs - homogenní směs - přechodový stav

Vrstvená směs

Základem u všech systémů přímého vstřikování je provoz motoru s vrstvenou směsí obr.4.

Při tomto způsobu vstřikování se spalovací prostor rozděluje do dvou částí. Palivová směs se přivádí v kompresním zdvihu bezprostředně do prostoru zapalovací svíčky, což je umožněno přesnou geometrii spalovacího prostoru. U zapalovací svíčky je vytvořen oblak směsi, který vede k okamžitému zapálení, v ostatní okrajové části spalovacího prostoru se hromadí oblak vytvořený přebytkem vzduchu a zbytkového plynu. Vysoký podíl zbytkového vzduchu vede k účinnějšímu spalování při současném velkém otevření škrtící klapky a díky tomu dochází k minimálním ztrátám energie při výplachu spalovacího prostoru. Provoz s vrstvenou směsí odpovídá poměru λ = 1,5 ÷3,0. (podle fyzikálních zákonů je tato směs v případě rovnoměrného rozložení ve spalovacím prostoru nezapalitelná). Doby vstřikování jsou oproti režimu s homogenní směsí kratší až o 0,5 milisekund. Průměr kapének vstřikované směsi je zhruba 5x menší než u nepřímého vstřikování do sacího potrubí.

Homogenní směs

Při zvýšení zatížení motoru a nárůstu otáček je nutný přechod na spalování homogenní směsi obr.5. Palivo je vstřikováno do válců již v průběhu nasávání vzduchu. Homogenní směs vzduchem stechiometrického poměru (λ = 1), zajišťuje lepší chlazení stěn válců, protože celá dávka paliva je rozprášena do spalovacího prostoru. Současně se potlačuje sklon k detonačnímu spalování (klepání motoru) a díky tomu lze zvýšit kompresní tlak ve válcích, což má za následek snížení spotřeby paliva. Směs je ve vstřikovaném paprsku rozprášena rovnoměrně a tím je dosaženo rychlého a rovnoměrného spálení směsi.

Pro zajištění chodu motoru ve všech možných provozních podmínkách musí být při vstřikování a přípravě palivové směsi zajištěny následující podmínky:

- podle okamžitého zatížení motoru se musí neustále měnit počátek vstřiku paliva

- podle okamžitého zatížení motoru se musí režim přípravy směsi měnit z vrstvené na homogenní a opačně(tzn.,že se musí měnit okamžik vstřiku v průběhu komprese a sání)

Pro přepnutí mezi homogenní a vrstvenou směsí jsou rozhodující následující mezní hodnoty:

λ = 1,5 při provozu s vrstvenou směsí – zamezení tvorby směsí

λ = 1,3 při provozu s homogenní směsí – vliv omezení schopnosti chodu motoru s chudou palivovou směsí

Při přepnutí je potlačen „zakázaný rozsah“ 1,3<λ<1,5 jednorázovým zvětšením množství paliva v okamžiku přepnutí. Případný skok točivého momentu (škubnutí motoru) je potlačen krátkodobou změnou předstihu zapalování. Díky tomu je přepínání mezi provozem s homogenní a vrstvenou směsí plynulé.

Přechod na úsporný režim spalování chudé směsi je tedy daleko častější než u jiných systémů. To je velmi důležité, neboť více než 70% jízdního režimu (podle evropského cyklu) lze absolvovat se spalováním vrstvené směsi.

obr.4 obr.5

Přechod mezi režimem s vrstvenou a homogenní palivovou směsí ve válci (systém Motronic MED7)

2.2.3 Aerodynamika ve spalovacím prostoru

Další vývoj spalovacích motorů je veden stálou snahou o optimalizaci spalovacího procesu za účelem zvyšování výkonu motoru při současném snižování měrné spotřeby paliva a produkce emisí. Kladou se tak stále nové požadavky na teoretické i experimentální poznávání termodynamických a aerodynamických dějů v motorech. Ukazuje se, že podstatný vliv na průběh a kvalitu spalovacího procesu má vnitřní aerodynamika spalovacího motoru.

Ke zlepšení kvality vnitřní aerodynamiky využité směsi dopravené do válce sledujeme řízení a optimalizaci struktury proudového pole.

Proudové pole ve válci je vytvořeno přímím vstřikováním nebo vefukováním paliva při sacím zdvihu, sacím ventilem. Proudové pole je ovlivňováno tvarem, typem, polohou a sklonem trysky, sacím kanálem, ventilem a spalovacím prostorem. Zkoumání vlastnosti proudového pole v závislosti na tvaru trysky a vefukovacího ventilu by měly přispět dále uvedené metody(str.31.), aplikované na navrhovanou experimentální stanici uvedenou v další kapitole.

Pro zlepšení průběhu hoření je třeba zajistit vysokou úroveň turbulence právě v okamžiku počátku hoření, tj. na konci kompresního zdvihu. Řešením jsou velké výrové pohyby náplně ve válci, které jsou schopné přečkat kompresi a zároveň během ní v kaskádě předávají svou energii menším vírům, a tak udržují potřebnou úroveň chaotické turbulence.

Základní rozdělení záměrně vyvolaných velkých vírových pohybů náplně ve válci je podle polohy osy hlavního vírového útvaru:

-tečná rotace: tangenciální vír,(swirl): osa je rovnoběžná, resp.totožná s osou válce -příčná rotace: bubnový vír,(tumble,barrel swirl): osa je kolmá k ose válce.

obr.6. Tangenciální vír (swirl), vytvořený obr.7. Bubnový vír (tumble), vytvořený vstřikem paliva do spalovacího vstřikem paliva do spalovacího prostoru specielně tvarovaného prostoru specielně tvarovaného

dna pístu. dna pístu.

Typickým představitelem plnícího systému vyvolávajícího převážně tečnou rotaci náplně je dvouventilová hlava s tangenciálním nebo šroubovým sacím kanálem obr.8. Naopak převážně příčná rotace náplně je vyvolána např. u současných čtyřventilových hlav obr.9. Dalším typickým základním vírovým pohybem je radiální vír vznikajícím vytlačováním náplně od okrajů válce do spalovacího prostoru tvořeného dutinou v pístu při kompresním zdvihu.

Je třeba uvést i vírové útvary, které nejsou záměrně vyvolány:

obr.8. Tangenciální vír (swirl) obr.9. Bubnový vír (tumble)

Praktický výsledek optimalizace proudového pole, tj. vliv na výkon, spotřebu a produkcí emisí motoru, závisí také na typu motoru(zážehový – vznětový,přeplňovaný – nepřeplňovaný, způsob tvorby směsi, druh směsi atd.). Je tedy zřejmé, že problematiku proudového pole ve válci není možné vytrhnout z celé řady spolupůsobících vlivů. Při celkové optimalizaci práce ve spalovacím prostoru je nutné využívat jak experimentálního, tak i teoretického modelování dějů.

3. Palivové trysky zážehových motorů

Účelem palivových trysek je dopravit palivo do prostoru ve kterém dochází ke smíšení se vzduchem a vytvořit tak počátek pro homogenní směsi.

Podle skupenství paliva hovoříme o vstřikovacích nebo vefukovacích tryskách. Stavba a konstrukce vefukovacích trysek je obdobou trysek vstřikovacích. I když je tu určitá podobnost v konstrukci palivových trysek, charakter proudění kapalného paliva je odlišný od proudění paliva plynného.

Pohled na proudění tekutin z fyzikálního hlediska:

Pro zjednodušení budeme uvažovat stacionární proudění beze ztrát.

- proudění ideální kapaliny: uvažujeme průtok ideální kapaliny konstantní hustoty (ρ = konst.) elementární proudovou trubicí. Nebudeme sledovat pohyb určité částice kapaliny,nýbrž si z proudové trubice vytkneme určitou část tzv. kontrolní oblast vyznačenou přerušovanou čarou.

Zákon zachování hmotnosti. Rovnice kontinuity.

Představuje definici spojitého neproměnného průtoku trubicí.Tuto vlastnost charakterizuje hmotnostního toku

.

m .

. 2 .

1 m

m = ( 3.1 )

ρ.A₁.c₁ = ρ.A₂.c₂ ( 3.2 )

A₁.c₁ = A₂.c₂ ( 3.3 )

2 . 1 .

V V =

Z poslední rovnice plyne, že součin průřezu A a rychlost c je pro všechny průřezy stejný a je roven objemovému průtoku

.

V .

Zákon zachování energie. Bernoulliova rovnice.

Vyjadřuje vzájemnou vazbu energie kinetické, potenciální a tlakové. Vnitřní energie u je u kapalin a ideálních plynů závislá pouze na teplotě u = c_v.T , kde c_v je měrná tepelná kapacita tekutiny při stálém objemu a T je termodynamická teplota. Do tohoto tvaru zavádíme i měrné

Bernoulliova rovnice pak zní:

w c q

c p z p

z g u

u − + − + − + − = −

) 2 (

2 1 2 2 1 2 1 2 1

2 ρ ^{( 3.4 )}

Pro izotermní proudění bez přívodu tepla ( q = 0 )a mechanické energie ( w = 0 ) bude teplota T = konst. ( u₁ = u₂ ) a dostáváme Bernoulliovu rovnici pro částici tekutiny o hmotnosti 1 kg.

2 . 2 .

.

2 2 2 2 2

1 1

1 p c konst

z c g

z p

g + + = + + =

ρ

ρ ^{( 3.5 )}

po úpravě

. )

2 .(

1 2

1 _{1 2}

2 1 2

1 2

2 p p konst

z z g c

c − = − + − =

ρ ^{( 3.6)}

Při proudění tekutiny ve vodorovném směru, lze zanedbat potenciální energii. Poté má rovnice tvar:

2 . 1 2

1 2 _{1 2}

1 2

2 p p konst

c

c − = − =

ρ ^(3.7)

- proudění ideálního plynu: uvažujeme průtok ideálního plynu (ρ≠ konst.) elementární proudovou trubicí. Uvažování dalších podmínek je stejné jako

u kapalin.

Zákon zachování hybnosti. Rovnice kontinuity.

. 2 .

1 m

m = ( 3.1) ρ₁.A₁.c₁ =ρ₂.A₂.c₂ ( 3.8)

A₁.c₁ ≠ A₂.c₂ (3.9) 2

. 1 .

V

V ≠ (3.10)

úprava do diferenciálního tvaru:

=0 +

+ c

dc d A dA

ρρ

(3.11)

Zákon zachování energie. Bernoulliova rovnice.

V této rovnici je součet měrné vnitřní a tlakové energie nahrazen měrnou entalpií h.

.Potencionální energii plynů zanedbáváme a pak dostáváme tvar:

2 2

2 2 2 2 1 1

h c h c

w

q− + + = + (3.12)

úprava do diferenciálního tvaru

2 dc2

dh w

q−δ = +

δ ^(3.13)

Pro případ stacionárního adiabatického proudění (tj.bez přívodu tepla) bez přívodu technické práce dostáváme tvar

dc dh

− 2 =

2

(3.14)

Poznamenejme, že pro stacionární izoentropické proudění ideálního plynu lze odvodit, že ρ

dp dp v

dh= . = . Touto přejde rovnice do tvaru

ρ dp dp dc v

−

=

−

= . 2

2

.

Dále pak úpravou do integrálního tvaru můžeme lépe porovnat Bernoulliho rovnici plynu a kapaliny.

∫

−

=

− ²

1 2 1 2

2 1.

2 1 2

1c c dp

ρ ^(3.15)

Právě z důvodu stlačitelnosti plynu je kinetická energie menší než u kapalin (vnější síly jsou spotřebovávány na stlačení plynu).

Podrobnější vlastnosti proudění plynu jsou uvedeny v kapitole (4), parametry trysek.

3.1 Palivové trysky pro kapalná paliva

3.1.1 Trysky pro vnější tvorbu směsi

Pro ideální chod motoru musí být přiměřené množství paliva, odvozenéo pro aktuální provozní stav[1].

Je zvlášť důležité, aby směs vzduchu a paliva byla rovnoměrně rozdělena mezi jednotlivé válce. Toto rozdělení je závislé na tvaru sacího potrubí, jeho umístění a na připravené kvalitě vstřikovacího ventilu.

Systém přerušovaného vstřikování paliva

Obr.10. Vstřikovací ventil s čepovou tryskou přerušovaného vstřikování jednobodového

1. Elektrický kontakt 2. Odvod paliva 3. Přívod paliva 4. Magnetické vinuti 5. Magnetická kotva 6. Jehla ventilu

7.

Tvarovaná jehla

U systému jednobodového vstřikování je vstřikovací ventil umístěn uprostřed v horní části jednotky. Tato poloha nad škrtící klapkou způsobuje velmi intenzivní promíchání paliva s okolo proudícím vzduchem. Za tímto účelem je palivo vstřikováno v kuželovém paprsku do oblasti s nejvyšší rychlostí proudícího vzduchu mezi klapkou a pouzdrem škrtící klapky.

Obr.11. Vstřikovací ventil s čepovou tryskou přerušovaného vstřikování vícebodového

1.Filtr na přívodu paliva 1. Elektrická přípojka 2. Vinutí elektromagnetu 3. Kryt ventilu

4. Kotva

5. Těleso ventilu; 7. Jehla trysky

Vstřikovací ventily jsou elektronicky řízené a neustále zásobované palivem pod určitým tlakem. Vstřikují přesně odměřené množství paliva před sací ventil či přímo do spalovacího prostoru motoru. Ventil je otvírán elektronickými impulsy z řídící jednotky. Pokud je vinutí elektromagnetu bez proudu, přitlačuje šroubová pružina jehlu do sedla na těsnění. Ventil je uzavřen. Při vybuzení magnetu se jehla zdvihne asi o 0,1 mm ze sedla a palivo může proudit přes prstencovou mezeru z ventilu. Dokonalé rozprášení paliva zajišťuje speciálně přizpůsobený tvar konce jehly.

Ventil je upevněn v plastikovém tvarovaném dílu speciálního držáku. Tím je docíleno tepelné izolace a zamezení odpařování paliva (zamezení tvorby bublin). To je důležité pro starty zahřátého motoru. Toto uchycení rovněž tlumí kmitání vstřikovacího ventilu. Z důvodů rychlého sledu vstřikovacích impulsů musí vstřikovací ventil vykazovat velmi krátké spínací časy. Malá hmotnost kotvy a ventilové jehly, stejně jako optimální okruh magnetu, umožňují provést záběr a pokles během jedné milisekundy. Takto je zajištěno velmi přesné odměření paliva i při sebemenších množstvích.

Systém kontinuálního (nepřerušovaného) vstřikování paliva

Obr.12. Vstřikovací ventil s čepovou tryskou kontinuálního vstřikování vícebodového

1. Těleso ventilu 2. Filtr

3. Jehla ventilu 4. Sedlo ventilu 5. Pružina ventilu; 6. Miskové sedlo pružiny

Na obr.12a. je znázorněna klidová poloha ventilu. Jehla je tlačena silou vratné talířové pružiny do sedla. Do sacího potrubí nemůže vniknout žádné palivo. Tento stav nastává pouze tehdy, když je motor v klidu.

Na obr.21b. je znázorněna provozní poloha ventilu, kdy tlak paliva je větší než 3,5 bar. Při tomto tlaku je miskové sedlo pružiny odtlačeno, jehla ventilu je nadzvednuta ze sedla a palivo je vstřikováno do sacího potrubí. Během vstřikování se jehla v sedle ventilu chvěje. Toto

3.1.2 Trysky pro vnitřní tvorbu směsi

Vstřikovací ventily (pro každý válec jeden) jsou připojeny rovnou na rozdělovací palivové potrubí – zásobník paliva. Okamžiky a délku otevření jednotlivých vstřikovacích ventilů určuje elektronická řídící jednotka motoru. Způsob otevírání je podobný jako u vstřikovacích ventilů s přerušovaným vstřikováním paliva.

Obr.13. Vstřikovací ventil s měnitelným tvarem trysky(A),což umožňuje měnit paprsek vstřikovaného paliva

1. Kotva

2. Elektrická přípojka 3. Těsnící kroužek 4. Doraz

5. Cívka

6. Palivové potrubí

3.2 Plivové trysky pro plynná paliva

Konstrukce palivových trysek pro injektáž plynu je obdobou palivových trysek pro kapalná paliva. Rozdělují se opět na vefukovací trysky pro vnější a vnitřní tvorbu směsi.

3.2.1 Trysky pro vnější tvorbu směsi

Obr.14. Vefukovací ventil pro vnější tvorbu směsi firmy SGI (sequential gas injection)

Obr.15. Zástavba kombinace vnější přípravy směsi vstřikovacího a vefukovacího ventilu . (Možnost použití kapalných či plynných paliv.)

3.2.2 Trysky pro vnitřní tvorbu směsi

Otevření elektromagnetického ventilu má za následek nárůst tlaku mezi elktro. ventilem a ventilem talířovým. Tento narůstající tlak překoná uzavírací sílu pružiny a palivo je tak vefukováno do spalovacího prostoru. Tvar talířového ventilu umožňuje dokonalejší smíšení paliva se vzduchem.

Obr.17. Vefukovací ventil 1. Těleso vefukovače

2. Těleso zpětného sedla ventilu 3. Kulička ventilu

4. Tryska ventilu

Tento ventil byl použit při vefukování vodíkového paliva a CNG do zkušebního jednoválce OKC – Oktan. Toto řešení kuličkového ventilu pochází z grantové práce katedry strojů průmyslové dopravy TU v Liberci.

Po otevření elektromagnetického ventilu prochází plynné palivo kanálkem vefukovače obr.17..Kulička je tlakem plynu odsunuta a palivo prochází příčnými drážkami a kanálkem tělesa dále do válce motoru. Pro vefukování určité dávky paliva je elektromagnetický ventil uzavřen a tlak v kanálku vefukovče se vyrovná s tlakem ve válci. S postupující kompresí tlak ve válci překročí tlak v kanálku a tak se kulička odtlačí na dosedací plochu tělesa 2. Tím je zpětný průchod uzavřen a tlak za kuličkou již dále nestoupá.

4. Parametry vefukovacích trysek

Tryska je trubice proměnného průřezu, jejímž úkolem je transformovat vnitřní a tlakovou energii stlačitelné tekutiny v energii kinetickou[4], [5].

Budeme uvažovat stacionární izoentropické proudění ideálního plynu.

Chceme-li znát výtokovou nebo průtočnou rychlost v místě o tlaku p či o teplotě T z nádoby, v níž je stagnační (klidový) stav c0 = 0 a s termodynamickou teplotou T0, musíme použít Saint Vénantovu – Wantzelovu rovnici, která má tvar:























−

= −

− k k

p p p

k c k

1

0 0

0 .1 1. 2

ρ ⁼ _^



















−

−

− k k

p T p

k r k

1

0 0 1 . 1.

2 = 



 



 −

− ⁰ 1 ₀ 1

2

T rT T k

k =

[

^{T T}

]

k r

k −

−1 ⁰ . .

2 (4.1)

pakli-že vydělíme rychlost c rychlostí zvuku, dostaneme z levé strany St.Vénantovy- Wantzelovy rovnice Machovo číslo:

















 −









= −



 



 −

= −

⋅

= ⋅

=

−

1 1 1 2

1 2

1

0

0 k

k

p p k

T T T k

r k

c a

Ma c (4.2)

Stav kdy se rovnají lokální rychlosti proudu a zvuku nazýváme kritickou rychlostí. Takovéto rychlosti odpovídá sonický stav kdy Ma = 1.

Pro Ma < 1 odpovídá podzvukové (subsonické) proudění.

Pro Ma > 1 odpovídá nadzvukové (supersonické) proudění.

Všechny veličiny týkající se kritického stavu budeme značit hvězdičkou.

Souvislost mezi změnou průřezu a změnou rychlosti udává věta Hugoniotova:







 −

= ₂ 1

2

a c c dc A

dA (4.3)

pro lepší přehlednost zavádíme Machovo číslo:

(

¹

)

A

dA ₂

−

= Ma c

dc (4.4)

Z této jednoduché rovnice můžeme učinit řadu důležitých a praktických závěrů:

1) Trubice v níž se proud urychluje (dc/c>>>>0), se nazývá tryska. V podzvukovém proudění tj. při Ma<<<<1 vychází z rovnice (4.4) dA/A<<<<0, tryska se v podzvukovém proudění zužuje.

2) V nadzvukovém proudění tj. při Ma>>>>1 vychází pro trysku dA/A>>>>0, z čehož plyne, že v nadzvukovém proudění se tryska musí rozšiřovat.

3) Trubice v níž se prou zpomaluje (dc/c<<<<0) a kinetická energie se transformuje mj. na tlakovou, se nazývá difuzor. V podzvukové proudění se difuzor rozšiřuje.

5) V místě sonické rychlosti tj. při Ma=1 se průřez trubice stává průřezem kritickým A=A^*. Z Hugoniotovy věty vychází dA^*/A^*=0 tj. v místě kritické rychlosti má průřez trubice svůj lokální extrém-minimum. To znamená pokud tlakové poměry dovolují při izoentropickém ději dosáhnout kritické rychlosti, stane se tak v nejužším průřezu trubice.

Tyto závěry jsou shrnuty v tab.1.

Tab.1. Souvislost mezi změnou rychlosti a změnou průřezu

4.1 Proudění v tryskách a difuzorech bez tření

Budeme se zabývat adiabatickým prouděním bez tření, takže v tekutině mimo případné rázové vlny to bude změna izoentropická.

4.1.1 Výtok nerozšířenou tryskou

Nerozšířená tryska naznačená v části a) obr.18. je určena pro podzvukové výtokové rychlosti tj. pro obor tlakových poměrů 1 ≥≥≥≥ ^pe/p₀ ≥≥≥≥ ^p*/p0, kde p^* je kritický tlak. V uvedeném oboru tlakových poměrů p2 =pe. Je-li proudění izoentropické a proudícím médiem je ideální plyn, bude výtoková rychlost c2 dána rovnicí St. Vénantovou- Wantzelovou :

Obr.18. Výtok nerozšířenou tryskou























−

= −

− k k

p T p

k r c k

1

0 2 0

2 . . 1

1

2 (4.1)

hmotnostní tok rovnicí kontinuity, Poissonovým vztahem a stavovou rovnicí tj.

2 2 2 .

. . c A

m= ρ ,

k

p p

1

0 2 0

2 







= ρ

ρ , ₀

0

0 r.T

p = ρ (4.1.1-1), (4.1.1-2), (4.1.1-3)

Z těchto rovnic lze dospět ke tvaru pro výpočet hmotnostního toku:























−









= −

− k k k

p p p

T p k r

A k m

1

0 2 2

0 2 0 2

.

1 .

. 1.

2 . (4.1.1-4)

Obr.18.b, je znázorněn průběh rychlostí a tlaku podél osy nerozšířené trysky.

Obr.18.c, je znázorněn průběh rychlostí a tlaku podél osy nerozšířené trysky, kdy tlak p_e snížíme tak, že bude p_e/p₀ <<<< ^p*/p0. . V tomto případě se stává výtokový průřez průřezem kritickým. Ve výtokovém proudu se vytváří složitá disipativní soustava rázových vln, jež je možno řešit pouze prostředky vícerozměrné dynamiky plynů. Výtok již není izoentropický.

4.1.2 Průtok Lavalovou tryskou (rozšířená tryska)

Pro dosažení nadzvukové výtokové rychlosti musíme v souladu s větou Hugoniotovou tvarovat trysku nejprve jako trubici, která je tvořena zůžující se částí, ke které je připojen rozšiřující se nátrubek. Přitom průběh tlaků musí být takový, aby v nejužším místě trysky bylo dosaženo tlaku právě kritického. Takto tvarované trysce říkáme tryska Lavalova.

Uvažujeme-li izoentropické proudění,

Výhodou Lavalovy trysky je, že dokáže v případě izoentropického průtoku zpracovat celý tlakový spád p0 = pe v kinetickou energii, nevýhodou je, že takovému navrhovanému stavu vyhovuje jediná geometrie trysek.

Teoretické podklady pro výpočet Lavalovy trysky.

Normujeme-li rychlost c kritickou rychlostí a^*, Vznikne nové podobnostní číslo, které je alternativou čísla Machova. Toto číslo nazýváme „Lavalovo číslo“.



 



 −

−

= +























−

−

= +

=

−

0 1

0

* 1

1 1 1

1 1

T T k

k p

p k

k a

La c

k k

(4.1.2-1)

Pro interval p^*/p0<<<< ^p/p0 <<<<1 je proudění vždy podzvukové, zatím co v oboru 0 <<<< ^p/p0 <<<< ^p*/p0

lze v případě, že bude možno dodržet podmínky pro izoentropické proudění, dosáhnout proudění nadzvukového.

Přepočetní vztahy mezi čísly La a Ma:

( )

( )

²

2

1 2

1 Ma k

Ma La k

− +

= + ,

(

¹

)

1 2

2 −

= + La k

Ma k (4.1.2-2), (4.1.2-3)

Na obr.19. je , průběh rychlosti proudu, rychlosti zvuku, tlaku, hustoty a plošné hustoty oběmového toku podél osy typické Lavalovy trysky.

4.2 Charakter proudění po výstupu z trysky

Nejjednodušší představou o dvourozměrných aspektech dějů probíhajících v tryskách nám může dát zatopený proud, uveden na obr.20. Zatopeným volným proudem se považuje proud, který není omezen tuhými stěnami a šíří se v prostředí stejných fyzikálních vlastností jako je jeho podstata[6].

Obr.20. Schéma zatopeného volného proudu

Obecně je tento proud turbulentní. Vířící částice se v něm pohybují nepravidelně. Pronikají při svém příčném pohybu za hranice proudu, vnášejí do nepohybujících se vrstev tekutiny své impulsy a unášejí je. Částic, které byly vypuzeny z proudu, jsou nahrazeny vnikajícími částicemi z obklopující tekutiny a přibržďují hraniční vrstvu proudu. Tak vzniká výměna hmoty mezi proudem a nepohybující se okolní tekutinou, čímž celková hmota proudu roste, jeho šířka se zvětšuje a rychlosti na jeho hranici ubývá. Přibržděné částice aktivního proudu spolu s částicemi obklopující tekutiny vytvářejí turbulentní směšovací vrstvu, jejíž tloušťka b ve směru prudění vzrůstá.

Z obr.20. vidíme závislost šířky smykové oblasti na vzdálenosti od trysky a na parametrech proudu.

Vztah popisující rozšíření:

c c c dx

db ≈ ₁ − ₂ (4.2-1)

Kde c₁ a c₂ jsou rychlosti na vstupu do směšovací oblasti, db/dx je poměrná tloušťka směšovací oblasti a c je charakteristická rychlost dané oblasti, kterou přibližně vypočítáme s ohledem na různou hustotu obou prostředí:

2 1

2 2 1

1. .

ρ ρ

ρ ρ

+

= c − c

c (4.2-2)

5. Měření parametrů trysek

Těmito vírovými útvary je pak vefukované palivo během směšování značně ovlivněno a v závislosti na počátku a konci vefuku vůči poloze pístu v sacím, eventuelně v kompresním zdvihu dochází k vytvoření homogenní případně nehomogenní směsi vůči zapalovací svíčce.

Podle druhu zjednodušení těchto vlivů je určeno použití dané metody ke zjištění parametrů trysek.

5.1 Výfuk plynů do volného ovzduší

Simulace pro zjišťování parametrů trysek do volného ovzduší patři mezi nejjednodušší, ale zároveň také nejméně vypovídá o vlivu vefukování na projev motoru.

Tato zkouška nám víceméně slouží jen ke kalibraci, nebo pro ověření předpokládaných požadavků trysek.

Příkladem zkoušení trysek do volného prostoru pro kapalné palivo je stanice na zkoušení trysek dieselových motorů.

Obr. 21. Stanice na zkoušení trysek

Tato stanice slouží pro kontrolu, případně pro seřízení otvíracího tlaku a kontrolu tvaru paprsku. Určení těsnosti a skupiny vrzání.

Takto provedená stanice může zjistit parametry trysek pouze pro kapalná paliva dieselových motorů. Pro benzinové motory by bylo zapotřebí zajistit časové otvírání ventilu.

Zjišťování parametrů vefukovacích trysek je velmi omezené a je víceméně odkázáno na integrální, anemometrické nebo vizuální metody popsány v další stati. Bez použití těchto metod jsme schopni určovat objemový průtok (průtokoměrem) a visuelně sledovat plynulost vefuku.

5.2 Výfuk plynů do vířivého prostředí

Abychom analyzovali chování trysek na projev motoru, museli bychom provádět měření přímo na motoru za chodu. Takovéto měření by bylo velice přesné a žádoucí. Je tu však problém aplikace zařízení schopného analizovat průběhy ve spalovacím prostoru. Z těchto důvodů se snažíme chod motoru simulovat ve zkušebních stanicích, které umožňují přístupnější aplikaci následujících metod.

Pro zjišťování parametrů trysek ve vířivém prostředí je možno použít následující metody, které lze rozdělit na[7]:

- integrální metody - anemometrické metody - vizualizační metody

5.2.1 Integrální metody

Integrální metody pro měření velkých vírových pohybů slouží k rychlému a levnému měření tzv. otáček náplně, nebo toku momentu hybnosti. Základní zjednodušení fyzikální reality spočívá v zavedení představy rotace náplně jako tuhého tělesa. Osa otáčení tohoto fiktivního tuhého tělesa je v případě měření tečné rotace totožná s osou válce, v případě příčné rotace je na ni kolmá.

Převod pohybu náplně na odpovídající rotační pohyb tuhého tělesa provádí vlastní měřící element. Podle druhu tohoto elementu je možné rozdělit měřící zařízení na lopatková (otáčivá lopatka) a na impulzní (pevná voština zachycující tok momentu hybnosti). Měření se až na vyjímky provádějí za ustálených podmínek na aerodynamické trati. Použitím kvazistacionárního modelu je možné takto získané dílčí stacionární naměřené hodnoty převést integrací na výsledný údaj.

Měření tečné rotace

- lopatková: Zařízení je označováno LMT- lopatkový měřič výření. Měřícím elementem je obvykle dvoulistá lopatka, jejíž otáčky jsou bezdotykově snímány. Z takto stanovených otáček náplně se dále vyhodnocuje tok momentu hybnosti a další bezrozměrné parametry.

orientovanými ve směru osy válce. Tečná rotace náplně je průtokem voštinovým kotoučem zachycena a měří se prostřednictvím natočení přes zkrutnou pružinu ukotveného voštinového kotouče.

Měření příčné rotace

Ukazuje se, že podobně jako u měření tečné rotace, existují i zde dva principielně odlišné způsoby měření: lopatkový a impulzní. Zařízení jsou dále konstruována buď pro přímé měření příčné rotace měřícím elementem, nebo jako adaptéry k již provozovaným měřičům tečné rotace.

5.2.2 Anemometrické metody

Jako anemometrické metody se obvykle označují ty způsoby měření rychlosti proudění tekutiny, které kromě střední hodnoty rychlosti jsou schopné poskytovat i její fluktuační složku. Ve vnitřní aerodynamice spalovacích motorů se převážně používají tyto metody:

- metoda žhaveného drátu (HWA – hot wire anemometry) - laserová dopplerovská anemometrie (LDA)

- PIV-particle-image velocimetry

- pneumatické metody (použité sondy obvykle neumožňují měření fluktuační složky)

Metoda žhaveného drátu (HWA)

HWA je jako nejlevnější anemometrická metoda přednostně používána vždy, kdy není na překážku její invazivní charakter. Také není příliš vhodná pro měření při změnách teploty proudícího média (nutnost problematické kompenzace) a pro měření ve směsích plynů s kapalnými nebo pevnými částicemi (hrozí zničení žhaveného drátku, v lepším případě napečení na jeho povrchu a změna jeho vlastností). Pro měření na protáčených motorech je její použití omezeno na sací zdvih v místech, kde nejsou pohybující se díly; obvykle se používá pouze při stacionárních měřeních. Výhodou je kontinuální signál a možnost měřit velmi vysoké frekvence fluktuací (až desítky kHz – vhodné pro měření turbulence), přičemž experimentální zařízení je relativně jednoduché a levné.

Laserová dopplerovská anemometrie (LDA)

LDA byla donedávna nejužívanější metodou pro měření rychlostí ve válci spalovacího motoru. Jejími největšími výhodami je možnost neinvazivního měření rychlostí i fluktuací (při dostatečně vydatném značkování proudu částicemi i částicemi fluktuací) i v náročných podmínkách vysokých teplot. Nevýhodou kromě náročnosti a ceny experimentu i experimentálního zařízení je možnost proměření pouze jednoho bodu v určitém časovém okamžiku. Při často potřebných měřeních okamžitého rychlostního pole v určité rovině a v určitém okamžiku (např. při studiu velkých vírových pohybů) je v současnosti vytlačována pro tyto účely vhodnější a výkonnější metodou PIV.

Particle – Imagr Velocimetry (PIV)

PIV je kvantitativní metoda pro měření okamžitých rychlostí v proudících tekutinách.

Princip metody spočívá ve vyhodnocení rychlosti z měření posunu značkovacích částic unášených tekutinou (podobně jako u LDA) během krátkého časového intervalu. Praktická realizace metody může být různá, obvykle se jedná o dva nebo více impulsů intenzivního světelného zdroje (laser), jehož paprsek je rozprostřen do roviny, a záznam polohy částic na fotografický film nebo videokameru s následným nebo okamžitým (pouze systém FolowMap fyrmi Dantec) vyhodnocením. Na rozdíl od LDA je tedy v jeden časový okamžik určeno okamžité rychlostní pole v celé měřené rovině.

Pneumometrické sondy

Pneumometrické sondy umožňují měření fluktuační složky rychlosti, vyžadují zabudování tlakových převodníků přímo do měřícího tělíska sondy, jinak není možné dosáhnout dostatečně krátké časové konstanty měřícího systému. Sonda pak ovšem vychází příliš velká a proto nevhodná pro měření ve spalovacích motorech. Omezeně se tedy využívají pouze klasické pneumometrické směrové sondy, a to pro proměřování rychlostního pole (střední hodnoty rychlosti) při stacionárních zkouškách.

5.2.3Vizualizační metoda

Vizualizační metody slouží např. ke sledování směru proudění vstřikovaného palivanebo

znalosti stavu objektu můžeme lépe hodnotit souvislosti a fyzikální podstatu sledovaných dějů. Děje se sledují optickým pozorováním a výsledkem jsou 2D či 3D obrazy nebo videozáznamy.

Software - Thermovision umožňuje využít nový směr zrakové analýzy hoření. Pomáhá při hodnocení teploty plamene, a vývoji sazí při spalování.

Vizualizační metody lze rozdělit na kontaktní metody, které mohou ovlivňovat měřený objekt včetně měřených výsledků a na metody bezkontaktní, které měřený objekt neovlivňují,

přičemž mají obvykle zanedbatelné časové konstanty dané zejména dynamickými

schopnostmi zařízení pro záznam obrazů. Kontaktní metody jsou starší a označují se jako vizualizační metody v užším slova smyslu, bezkontaktní metody jsou novější a patří mezi ně především optické metody.

Vizualizační metoda vhodně doplňuje metody experimentální a výpočtové.

6. Konstrukční návrh zkušební stanice

Cílem zkoušení palivových trysek je určení jejich parametrů a jejich následná optimalizace.

Optimalizací trysek se můžeme zabývat, pakliže budeme znát vzájemnou korelaci naměřených hodnot na projev chodu motoru.

Z těchto důvodů je zkušební stanice zkonstruovaná z originálních dílu motoru LIAZ M1.2C 637 NG vyvinutém na pracovišti Výzkumného centra Josefa Božka při Technické universitě v Liberci.

Při projekčně – konstrukčním návrhu byla vzata v úvahu možnost zkoušení parametrů trysek (průtočnosti, úhel rozpadu, ad.), jak do volného prostředí, tak i do stlačitelného prostoru, a eventuelně i do vířivého prostředí.

Možnosti určení parametrů palivových trysek na zkušební stanici:

- pomocí průtokoměru: - určení hmotnostního či objemového toku

- určení ztrát v podobě rozdílu hmotnostních toků

- umožňuje kalibraci trysek pomocí objemového průtoku - pomocí VisioScope: - určení úhlu rozpadu paprsku

- vizuální sledování vířivých proudů ve spalovacím prostoru - pomocí PIV: - určení průběhů rychlosti proudění po celém měřeném prostoru

- určení směru proudění po celém měřeném prostoru

Obr.22. Nárys a bokorys zkušební stanice palivových trysek.

6.1 Aplikace průtokoměru na zkušební stanici

Při tomto měření je odejmuta vložka válce a na konec vefukovacího ventilu je připojen průtokoměr. V tomto případě nepoužíváme označkovaný plyn (použití čistého stlačeného vzduchu).

Obr.22 Stanice pro optimalizaci vefukovacích trysek.Měření průtočnosti.

2. Sací kanál 3. Sací ventil 4. Vefukovací ventil 5. Hlava válce

Pomocí průtokoměru jsme schopni získat základní parametry vefukovacího ventilu, (objemový tok

.

V a hmotnostní tok

.

m).

Dále je možné charakterizovat ztráty proudění po celé dopravní délce v podobě hmotnostních toků. Zde je nutný výpočet hmotnostního toku pro trysku umístěnou přímo na výtoku tlakové nádoby.

Pro zjednodušení budeme uvažovat stacionární adiabatické proudění ideálního plynu kde : jednotky označené indexem 0 jsou počáteční podmínky v uzavřené nádobě a jednotky























−









= −

− k k k

p p p

T p k r

A k m

1

0 2 2

0 2 0 2

.

1 .

. 1.

2 .

Rozdíl vypočteného hmotnostního toku m^* a hmotnostního toku naměřeného m vyjadřuje místní ztráty po celé dopravované délce v podobě hmotnostního toku.

Kalibrace trysek je prováděna na základě stejnosti objemového průtoku, při konstantních počátečních podmínkách za daný časový interval.

6.2 Aplikace anemometrické metody (PIV) na zkušební stanici

Nejprve praktičtější pohled na anemometrickou metodu PIV.

Pomocí laseru a optiky s válcovou čočkou se z laserového paprsku vytvoří rovinná osvětlená plocha, tzv. laserový nůž. Kolmo k rovině laserového nože je umístěna kamera PIV, kterou jsou ve dvou krátce po sobě následujících okamžicích t₁ a t₂ (obvykle záblesky pulzního laseru) zachyceny polohy značkovacích částic. Z vyhodnocené vzdálenosti d, jakou částice urazí mezi dvěma časovými okamžiky t₁ a t_2, je možnost rychlost c vypočítat podle jednoduchého vztahu: c=d/t₂-t_{1 .}

Obr.24. Základní princip metody PIV (Particle Image Velocimetry

Abychom mohli optimalizovat vefukovací palivové trysky, musíme nejdříve znát jejich dosavadní parametry a dále jejich korelaci na samotný chod motoru. Optimální a nejpřesnější

měření chování vefukovací trysky, by bylo pozorování vefuku paliva přímo za chodu motoru ve spalovacím prostoru. Aplikace PIV přímo za chodu motoru však vyžaduje speciálně upravený motor (tzv.optický motor).

Obr.25. Speciálně upravený motor pro metodu měření PIV. Optický motor.

Válec a píst jsou prodlouženy, aby bylo možné přes zrcadlo a průhled ve dnu pístu přivádět do spalovacího prostoru světlo laserového nože nebo naopak snímat CCD kamerou v případě laserového nože vedeného kolmo k ose válce.

Takto upravený motor velmi přispívá k pochopení spalovacího procesu.

Je tu však jistá rezerva právě v upravených částech optického motoru, která se odráží na nepřesnostech získaných měřeních.

Námi připravovaná stanice má minimální zásah do spalovacího prostoru i samotného přívodu paliva.

Pro vstup laserového nože jsou na bocích v rovině osy vložky válce vyfrézovány dvě svislé štěrbiny, které jsou překryty plochým sklem. Druhá štěrbina slouží k odvedení laserového nože ven z válce a zároveň k seřízení kolmosti paprsku laserového nože k poloze kamery PIV.

Nechlazený endoskop sady VisioScope, bez přívodu světelného paprsku je zasunut do vložky válce upevňovací průchodkou kolmo k rovině vyfrézovaných štěrbin.

Poloha a rozměry dalších částí vefukovací stanice (viz. výkresová dokumentace) se plně shodují s typem motoru LIAZ M1.2C 637 NG.

Vefukování označkovaného plynu (námi označkovaný plyn je dým cigaretového kouře) se

LIAZ M1.2C 637 NG.(je to čtyřdobý přeplňovaný plynový zážehový motor s provozem na chudou směs s kvantitativní regulací výkonu, kapalinou chlazený ležatý řadový šestiválec s rozvodem OHV vybavený mezichladičem plnícího vzduchu a oxidačním katalyzátorem).

Průběh měření zůstává vždy stejný, jedinou obměnou je aplikace použitých zařízení na zkoumaný předmět.

Simulace vefuku do sacího zdvihu pístu motoru

Obr.26. Stanice pro optimalizaci vefukovacích trysek v sacím zdvihu.

Simulace se zavřeným sacím kanálem.

1.Vložka válce 2.Sací kanál 3.Sací ventil 4.Vefukovací ventil 5.Hlava válce

6.Endoskop

Simulace sacího zdvihu pístu motoru provádíme dvěma způsoby:

- vefuk značkovaného plynu probíhá do atmosferického tlaku se zavřeným sacím kanálem obr.26. Tato simulace je zjednodušenou formou vefuku do sacího zdvihu (paprsek vefukovaného označkovaného plynu není ovlivněn vířivými proudy

sacího ventilu).

- vefuk značkovaného plynu probíhá do vířivého prostoru, při otevřeném sacím ventilu obr.27.

Zde je třeba zajistit aerodynamickou trať, uklidňovací nádobu uchycenou na spodní část válcové vložky a Rootsovo dmychadlo umožňující simulaci sacího zdvihu.

Obr.27. Stanice pro optimalizaci vefukovacích trysek v sacím zdvihu. Simulace s otevřeným sacím kanálem.

1.Vložka válce; 2.Sací kanál; 3.Sací ventil; 4.Vefukovací ventil; 5.Hlava válce; 6.Endoskop

Simulace vefuku do kompresního zdvihu pístu motoru.

Při simulace vefuku do kompresního zdvihu obr.28. je do vložky válce vložen píst motoru.

Tímto zajišťujeme simulaci konkrétní polohy kompresního zdvihu pístu. Pohyb pístu ve zkušební stanici nezajišťuje kliková hřídel ani žádný jiný mechanizmus, měření se provádí za stacionárních podmínek a konstantního tlaku. To znamená, že při měření je píst v konstantní poloze zafixovaný aretací přes vodící čep pístu.

Simulaci přetlaku vyvozeného při běžném chodu kompresního zdvihu je simulován takto:

- vložený píst zafixujeme v poloze kde chceme provádět měření

- přes vefukovací ventil pomocí kompresoru vytvoříme požadovaný tlak, vycházející z konkrétní polohy pístu a charakteristik motoru LIAZ M1.2C 637 NG.