Способы расчета нагрева топлива при впрыскивании в дизельных двигателях с давлением до 400 МПа

Исследование обусловлено трендом быстрого роста давления впрыскивания в дизельных и бензиновых двигателях с впрыскиванием топлива в камеру сгорания. Экспериментальные результаты получены при проливке топлива через модельное сопло и через электрогидравлические дизельные форсунки. Описаны причины сильного нагрева топлива при впрыскивании, предложено его математическое описание. Для разных задач и топлив продемонстрированы три метода расчета нагрева при впрыскивании топлива со сверхвысокими давлениями. Выявлено, что наиболее важен нагрев топлива за счет эффекта Джоуля — Томсона в распылителе форсунки. Благодаря действию нескольких факторов тепловыделения температура топлива может достигать 240…260 °С при давлении впрыскивания 350…400 МПа. Предложены наиболее удобные соотношения для расчетного анализа тепловых условий процесса топливоподачи. Оценка нагрева топлива позволяет найти граничные условия для расчета внутрицилиндровых процессов, кризиса истечения топлива при сверхвысоких давлениях.

Литература

[1] Kamaltdinov V., Markov V., Lysov I. et al. Experimental studies of fuel injection in a diesel engine with an inclined injector. Energies, 2019, vol. 12, no. 14, art. 2643, doi: https://doi.org/10.3390/en12142643

[2] Kendlbacher C., Müller P., Bernhaupt M. et al. Large engine injection systems for future emission legislations. CIMAC Cong., 2010, paper 50.

[3] Di Blasio G., Beatrice C., Belgiorno G. et al. Functional requirements to exceed the 100 kw/l milestone for high power density automotive diesel engines. SAE Int. J. Engines, 2017, vol. 10, no. 5, pp. 2342–2353, doi: https://doi.org/10.4271/2017-24-0072

[4] Sa B., Klyus O., Markov V. et al. A numerical study of the effect of spiral counter grooves on a needle on flow turbulence in a diesel injector. Fuel, 2021, vol. 290, art. 120013, doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.120013

[5] Heller M., Stelzer T., Riegert M. et al. L’orange fuel injection systems in china & asia -past experience, today’s expertise and examples for tomorrow’s excellence. CIMAC Cong., 2013, paper 121.

[6] Meek G., Williams R., Thornton D. et al. F2E-ultra high pressure distributed pump common rail system. SAE Tech. Pap., 2014, no. 2014-01-1440, doi: https://doi.org/10.4271/2014-01-1440

[7] Kolodziej C., Ciatti S., Vuilleumier D. et al. Extension of the lower load limit of gasoline compression ignition with 87 AKI gasoline by injection timing and pressure. SAE Tech. Pap., 2014, no. 2014-01-1302, doi: https://doi:10.4271/2014-01-1302

[8] Zhao J., Grekhov L., Denisov A. et al. Operation-related features of diesel fuel injection systems at pressures up to 400 MPa. IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., 2022, vol. 983, art. 012058, doi: https://doi.org/10.1088/1755-1315/983/1/012058

[9] Kuleshov A.S., Grekhov L.V. Multidimensional optimization of DI diesel engine process using multi-zone fuel spray combustion model and detailed chemistry NOx formation model. SAE Tech. Pap., 2013, no. 2013-01-0882, doi: https://doi.org/10.4271/2013-01-0882

[10] Salvador F.J., Gimeno J., Martín J. et al. Thermal effects on the diesel injector performance through adiabatic 1D modelling. Part I: Model description and assessment of the adiabatic flow hypothesis. Fuel, 2020, vol. 260, art. 116348, doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.116348

[11] Payri R., Salvador F.J., Carreres M. et al. Thermal effects on the diesel injector performance through adiabatic 1D modelling. Part II: Model validation, results of the simulations and discussion. Fuel, 2020, vol. 260, art. 115663, doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.115663

[12] Shatrov M.G., Golubkov L.N., Dunin A.U. et al. Influence of high injection pressure on fuel injection performances and diesel engine working process. Therm. Sci., 2015, vol. 19, no. 6, pp. 2245–2253, doi: https://doi.org/10.2298/TSCI151109192S

[13] Грехов Л.В., Марков В.А., Арсенов Н.А. и др. Определение констант уравнения состояния для расчета упругих свойств различных моторных топлив и технических жидкостей. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2022, № 4, с. 108–137, doi: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2022-4-108-137

[14] Zhao J., Grekhov L., Ma X. et al. Specific features of diesel fuel supply under ultra-high pressure. Appl. Therm. Eng., 2020, vol. 179, art. 115699, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115699

[15] Zhao J., Grekhov L., Onishchenko D. et al. Methods for calculating fuel heating in electrically controlled injectors of Common Rail diesel systems. Fuel, 2021, vol. 305, art. 121526, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121526

[16] Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. Москва, Легион-Автодата, 2005. 344 с.

[17] Safarov J., Ashurova U., Ahmadov B. et al. Thermophysical properties of diesel fuel over a wide range of temperatures and pressures. Fuel, 2018, vol. 216, pp. 870–889, doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.11.125

[18] Мочалова Н.А. Исследование термодинамически плотных жидкостей и газов с целью уточнения метода гидродинамического расчета топливных систем тепловых двигателей летательных аппаратов. Автореф. дисс. … канд. тех. наук. Рыбинск, РГАТА, 1995. 21 с.

[19] Salvador F.J., Gimeno J., Carreres M. et al. Experimental assessment of the fuel heating and the validity of the assumption of adiabatic flow through the internal orifices of a diesel injector. Fuel, 2017, vol. 188, pp. 442–451, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2016.10.061

[20] Султанова М.В., Гафуров А.И., Шарафутдинов Р.Ф. Термогидродинамические эффекты в многофазных средах. Булатовские чтения. Мат. I межд. науч.-практ. конф. Т. 1. Краснодар, Юг, 2017, с. 164–167.