Virtaus ruiskutusventtiilin reiästä

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Virtaus ruiskutusventtiilin reiästä"

Tuulikki Saarnio
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Jukka Kiijärvi Virtaus ruiskutusventtiilin reiästä Kaasu- ja polttomoottorin uudet tekniset mahdollisuudet Polttomoottori- ja turbotekniikan seminaari Otaniemi Teknillinen tiedekunta, sähkö- ja energiatekniikka

2 Sisältö Johdanto Nurickin malli Schmidtin malli Tulokset Johtopäätökset 2

3 Johdanto Dieselmoottorissa palamista ohjataan polttoaineen ruiskutuksella. Tarvitaan tietoa polttoaineen virtauksesta ruiskutusventtiilin reiästä. Virtauslaskennassa annetaan reunaehtona polttoaineen nopeus reiän ulostulossa ajan funktiona. Lisäksi olisi syytä tuntea virtauspinta-ala reiän ulostulossa ajan funktiona. Virtaus kavitoi reiässä lähes koko ruiskutuksen ajan. Tavoitteena määrittää virtausnopeus ja virtauspinta-ala dieselmoottorin ruiskutusventtiilin reiän ulostulossa yksiulotteisella mallilla. Virtauksen oletetaan kavitoivan paljon reiässä. 3

4 Nurickin malli Virtauskerroin reiän kavitoivassa virtauksessa. 4

5 Kaavio Höyry 1 6 c y u 1 = 0 p 1 u c, p c = p v u 2 p 2 x Virtaus Nurickin mallissa. 5

6 Perusyhtälöt Massavirta ṁ = ρ V = ρv A (1) Bernoullin yhtälö p ρv 2 + ρgz = vakio (2) 6

7 Oletukset 1. Virtaus kavitoi ruiskutusventtiilin reiässä. 2. Neste ei puristu kokoon, joten nesteen tiheys säilyy vakiona. 3. Virtaus on yksiulotteinen. 4. Virtaus on jatkuva. 5. Höyry kertyy akselin suunnasta katsottuna rengasmaisesti reiän seinälle. 6. Virtauksen pienimmän poikkipinta-alan kohdalla c paine on sama kuin nesteen höyrynpaine. 7

8 Ratkaisu Sisäinen aukkosuhde C c = A c A g (3) Massavirta ṁ = C c A g 2ρ(p 1 p v ) (4) Virtauskerroin C d = ṁ ṁ th (5) 8

9 Nurickin kavitaatioluku K = p 1 p v p 1 p 2 (6) Virtauskerroin Nurickin kavitaatioluvun funktiona C d = C c K (7) 9

10 Schmidtin malli Tehollinen virtausnopeus ja -pinta-ala reiän ulostulossa. Höyry c 2 A g u g Neste-elementtivirtauksen malli. 10

11 Höyry A 2 u 2 c 2 Virtaus Schmidtin mallissa. 11

12 Kaavio u 1 = 0 p 1 1 D D c p c A g y Höyry c x Kontrollitilavuus u c A g = (πd 2 )/4 A c = (πd 2 c )/4 A 2 = (πd 2 2 )/4 D 2 2 u 2 p 2 A g Schmidtin mallin kontrollitilavuus. 12

13 Perusyhtälöt Massan säilyminen t CV ρ dv + CS ρ V d A = 0 (8) Liikemäärä x-suunnassa F x = F Sx + F Bx = t CV uρ dv + CS uρ V d A (9) 13

14 Oletukset 1. Virtaus on jatkuva. 2. Virtaus kavitoi runsaasti ruiskutusventtiilin reiässä. 3. Höyry kertyy reiän akselin suunnasta katsottuna rengasmaisesti reiän seinille. 4. Seinästä päävirtaukseen ei vaikuta leikkausvoimaa ts. virtaus on kitkaton. 5. Nopeusjakauma on pienimmän virtauksen poikkipinta-alan sekä reiän ulostulossa tasainen kitkattoman virtauksen takia. 6. Virtaus on yksiulotteinen. 7. Polttoaineen tiheys säilyy vakiona. 8. Reiän pienimmän poikkipinta-alan kohdassa c höyryn läpi ei siirry liikemäärää kontrollitilavuuteen. Tämä oletus seuraa siitä, että höyryn tiheys on pieni verrattuna polttoaineen tiheyteen. 9. Virtauksen pienimmän poikkipinta-alan kohdassa c paine on yhtä suuri kuin höyrynpaine. 14

15 Ratkaisu Reynoldsin kuljetusteoreema. Tehollinen virtausnopeus reiän ulostulossa u 2 = 2C cp 1 p 2 + (1 2C c )p v C c 2ρ(p 1 p v ) (10) Tehollinen virtauspinta-ala reiän ulostulossa A 2 = 2C 2 c (p 1 p v ) 2C c p 1 p 2 + (1 2C c )p v A g (11) 15

16 Höyrynpaine alhainen verrattuna muihin paineisiin. Siksi oletetaan, että p v = 0. Tehollisen ja geometrisen pinta-alan suhde A 2 A g = 2C 2 c 2C c (K 1)/K (12) Massavirrat samoja sekä neste-elementtivirtauksessa että Schmidtin mallin virtauksessa. Tällöin kyetään osoittamaan, että u g u 2 = A 2 A g (13) 16

17 Tulokset Nykyaikaisen ruiskutusventtiilin reikä, sisäänvirtausaukossa pyöristys. C c = 0,796 Kun C d 0,890, muuttuu virtaus kavitoivasta turbulentista kavitoimattomaksi turbulentiksi. 17

18 Virtauskerroin

19 Pinta-alojen ja nopeuksien suhde

20 Johtopäätökset Tilanne, jossa virtaus kavitoi reiässä paljon. Tällöin ero Schmidtin ja neste-elementtivirtauksen mallin pinta-alojen sekä nopeuksien suhteessa suuruusluokaltaan 15 %. Suositeltavaa käyttää Schmidtin mallin ulosvirtausnopeutta ja -pintaalaa reiän runsaasti kavitoivassa virtauksessa. Jatkotutkimuksia Kokeet. Schmidtin mallin voimassaolon reunaehto tai -ehdot. Reiän virtauksen laskenta kolmeulotteisena. 20

21 Viitteet Nurick, W., Orifice Cavitation and Its Effects on Spray Mixing. Journal of Fluids Engineering, vol. 98, Schmidt, D., Cavitation in Diesel Fuel Injector Nozzles. Dissertation, University of Wisconsin-Madison, 1997, 182 s. 21

Samankaltaiset tiedostot

4. Kontrollitilavuusajattelu ja massan säilyminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

4. Kontrollitilavuusajattelu ja massan säilyminen KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet Päivän anti Miten partikkelisysteemiin liittyvän suuren säilyminen esitetään tarkastelualueen taseena ja miten massan