Promoter: |
|
prof. dr hab. inż. Andrzej Teodorczyk |
|
Supporting Promoter: |
|
|
|
Reviewers: |
|
|
dr hab. inż. Ireneusz Pielecha, prof. PP – Politechnika Poznańska |
|
Dziedzina: |
|
Dyscyplina: |
|
Abstract:
Obserwowany w ostatnich latach dynamiczny rozwój silników benzynowych ma miejsce dzięki zastosowaniu bezpośredniego wtrysku paliwa do komory spalania. Ten przełom został osiągnięty dzięki zastosowaniu wysokociśnieniowych układów wtryskowych, w których proces wtrysku paliwa może być niemalże dowolnie modelowany dzięki sterowaniu za pomocą piezo-kryształów z ciśnieniem wtrysku dochodzącym nawet do 30 MPa. Co więcej, zastosowanie wtrysku bezpośredniego przyczyniło się do powstania nowej idei w konstrukcjach silników tłokowych zwanej potocznie z j. ang. downsizing’iem, czyli zmniejszenie ilości i objętości cylindrów na rzecz szeroko pojętego doładowania za pomocą turbo lub mechanicznych sprężarek. W konsekwencji tego zmniejszyły się wymiary komór spalania, a więc w przypadku wtrysku bezpośredniego o wysokim ciśnieniu, a co za tym idzie większej penetracji strugi wtryśniętego paliwa, zwiększyło się ryzyko skraplania paliwa na ściankach cylindra i denku tłoka, co w bezpośredni sposób prowadzi do zwiększenia emisji szkodliwych związków, w tym sadzy. Warto w tym miejscu przypomnieć, że w przypadku norm emisji Euro 5 i 6 nałożono ograniczenie emisji cząstek stałych dla silników benzynowych na poziomie PM= 0.005 g/km.
Jeszcze do niedawna panowało powszechne przekonanie, że zwiększanie ciśnienia wtrysku paliwa poprawia proces powstania mieszanki paliwowo-powietrznej i dalej spalania. W pewnym momencie jednak zauważono, że owszem poprzez zwiększanie ciśnienia i prędkości wtrysku w wyniku większej turbulencji mamy szybsze rozbicie kropel paliwa, ale z drugiej strony mniejsze krople paliwa mają mniejszy opór powietrza, co zwiększa penetrację strugi oraz mniejsza powierzchnia kropli spowalnia proces wymiany ciepła z otoczeniem, co prowadzi do wydłużenia czasu „życia” kropli paliwa. Ponadto zwiększanie ciśnienia wtrysku paliwa niesie za sobą większe koszty produkcji takich komponentów jak wtryskiwacze czy pompy paliwa oraz zwiększenie obciążenia silnika (napęd pompy wysokiego ciśnienia) co prowadzi do zwiększenia zużycia paliwa.
Początkowo aby sprostać wymaganiom odnośnie emisji spalin, zrezygnowano w większości przypadków z procesu tworzenia mieszanki za pomocą odbitej strugi paliwa od tłoka, zwanej z ang. wall-guided, na rzecz centralnie umieszczonego wtryskiwacza ze strategią spray-guided, dzięki której struga wtryśniętego paliwa nie odbija się od tłoka. Ostatnio jednak zaczęto prowadzić badania nad zjawiskiem błyskawicznego parowania w procesie wtrysku paliwa, które zaobserwowano już w systemach wtrysku pośredniego.
Zjawisko błyskawicznego parowania (flash-boiling) polega na tym, że na skutek wtrysku paliwa do komory spalania, w której ciśnienie gazu jest niższe od ciśnienia nasycenia dla temperatury paliwa, następują natychmiastowe procesy atomizacji i wrzenia wtryśniętego paliwa, czyli dobre i szybkie przygotowanie paliwa do spalenia. Błyskawiczne parowanie zapewnia dokładniejsze rozdrobnienia strugi paliwa i szybsze odparowanie, co powoduje poprawę procesu spalania, zmniejsza emisję substancji toksycznych i zużycia paliwa oraz zwiększa sprawność spalania. W związku z tymi zaletami, wydaje się, iż wtrysk ze zjawiskiem błyskawicznego parowania stanowi nową jakość i szansę na znaczną poprawę procesu spalania w silnikach tłokowych, jak i turbinowych.
Niniejsza praca stanowi dogłębne rozpoznanie wspomnianego wyżej zjawiska błyskawicznego parowania za pomocą przeprowadzonych badań eksperymentalnych i numerycznych w celu walidacji kodu numerycznego, aby jak najlepiej odwzorowywał rzeczywisty proces wtrysku. Obliczenia strugi podzielone są na dwa etapy. Pierwszym etapem jest symulacja przepływu dwufazowego wewnątrz wtryskiwacza (Eulerian multiphase). Parametry przepływu z powierzchni wylotowej wtryskiwacza zapisane są do pliku tekstowego (tzw. nozzle file). Wyniki z symulacji przepływu wewnętrznego zaimportowano do obliczeń wtrysku (Lagrangian multiphase) i służą one jako warunek brzegowy na wylocie z dyszy wtryskiwacza. Zaletą użycia pliku ‘nozzle file’ jest możliwość zastosowania bardziej złożonego modelu rozbicia wstępnego (primary breakup), który uwzględnia intensywność turbulencji i kawitacji na wylocie z dyszy wtryskiwacza, źródłem tych danych jest plik nozzle file. Z uwagi na skomplikowane i kosztowne metody eksperymentalne w dziedzinie wtrysku paliwa, prawidłowo opisujący zjawiska błyskawicznego parowania kod numeryczny jest obecnie najbardziej poszukiwanym narzędziem z zakresu CFD przez światowy przemysł motoryzacyjny.