В настоящей статье будет затронута проблема терминологии, используемой учеными-двигателистами, предложено новое видение процесса распыливания жидкого топлива в дизеле и предложена соответствующая терминология.
Ключевые слова: распыливание, распылитель форсунки, жидкость, кластер
In this article will be mentioned the problem of the terminology used by scientists in propulsion engineering. New vision of dispersion process of liquid fuel in a diesel and corresponding terminology are offered.
Keywords: dispersion process, atomizer, liquid, cluster
Важным элементом совокупности процессов, протекающих в дизеле, является процесс распыливания топлива распылителем форсунки. Именно от этого процесса зависит последующее сгорание рабочей смеси (газовзвеси), а значит выходные характеристики двигателя в целом.
В научной и учебной литературе не существует единого устоявшегося мнения о механизме процесса распыливания топлива [1, с. 69]. Нет даже единого устоявшегося термина (применяются разные названия данному процессу – "распыление", "распыл", "распыливание", и даже "впрыскивание"). Наиболее полным, хотя и не совсем правильным, представляется определение Остренко С.А.: под распылением топлива понимают совокупность процессов, включающих в себя первичное дробление струи на частицы разных размеров, вторичный распад капель под воздействием аэродинамических сил воздуха, динамику движения распыленной струи и распределение топлива по объему камеры сгорания [2].
В последние десятилетия сохраняется тенденция повышения давления впрыскивания (и, как следствие, увеличения скорости движения) топлива в камеру сгорания для улучшения мелкости распыливания, что улучшает смесеобразование. Ученые-двигателисты, характеризуя результат распыливания, используют разные термины, например "частицы топлива", "капли топлива", "мелкодисперсные частицы". При этом отсутствует и общепринятая точка зрения на природу распада струи топлива на частицы [1, с. 69]. Причин распада струи топлива на множество частиц несколько, одной из них является гидродинамическая кавитация. Гидродинамическая кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое происходит при увеличении ее скорости [3, с. 5].
На рисунке 1 приведено схематичное описание данного процесса. Расстояние между штрихованными прямоугольниками – сопловой канал. Стрелкой показано направление движения струи топлива. Топливо проходит сопловой канал с большой скоростью, сужается, происходит местное понижение давления и возникают пузырьки газа (обозначены кругляшками). На выходе получается распыленное топливо, представляющее собой аэрозоль из мельчайших капель топлива и атмосферного воздуха.
Рисунок 1 – Гидродинамическая кавитация в сопловом канале
Из физики известно, что атомы твердых тел образуют дальний порядок, молекулы жидкостей – ближний порядок, в газах порядка нет. Дизельное топливо является жидкостью и представляется возможным использовать при его изучении терминологию физики жидкостей.
В жидкостях, в том числе топливе, присутствует газ (атмосферный воздух и другие), которым жидкость насыщена. Однако в вопросе о том, как влияет газ на процесс распыливания, в научных работах нет единого устоявшегося мнения.
Достаточно давно физиками используется термин "кластеры", как в физике твердых тел, так и жидкостей. Данный термин понимают также не однозначно. Под кластерами могут понимать, например, субмикрообъем жидкости, тепловые колебания атомов которой согласованы [4] (применительно к расплавам металлов), а могут понимать ассоциаты молекул жидкости (на примере воды – в одном кластере может быть от 2 до нескольких десятков молекул) [5, с. 3]. Мы будем понимать под кластерами последнее.
Надо сказать, у кластерной модели жидкости есть как сторонники, так и противники. Согласно [5, с.3], главным аргументом противники кластерообразования считают малое время оседлой жизни молекул (порядка 10-11 с-1), препятствующее образованию структур ближнего порядка из большого числа молекул [6]. Однако идея кластерного строения жидкости получает все большее признание и экспериментальные подтверждения различными методами. Так, согласно [5, с. 5] в [7] для получения воды, содержащей микрокластеры, использовали энергию кавитации пузырьков воздуха. Авторы считают, что разрыв кавитационных пузырьков приводит к разрушению молекулярных структур жидкости, превращая их в более мелкие структуры, и таким образом образуются микрокластеры воды. В [8] высококластеризованную воду, обладающую повышенным сродством к маслам и жирам, получали обработкой чистой воды с электропроводностью 0,09 мкСим/см при помощи ряда методов (магнитным полем, слабым электрическим током и др.). В [9] водные кластеры получали, диспергируя воду в жидком топливе (согласно [5, с. 6]).
Отметим, что одиночные молекулы воды могут участвовать не только в межкластерных процессах, но и внутрикластерных [5, с. 7]. Если физикой на примере воды доказана кластерная модель жидкости, то предполагается, что можно говорить о кластерной модели и других жидкостей, включая топливо, понимая под кластерами упорядоченные ассоциаты молекул жидкости.
Вернемся к вопросу о распыливании топлива распылителем форсунки. Применяя системный подход, обозначим распыливание как целевую функцию. Тогда основными функциями, направленными на реализацию целевой, можно выделить две: разрыв межкластерных связей жидкого топлива и распределение его капель с кластерами жидкости по объему камеры сгорания (с последующим образованием рабочей смеси и ее самовоспламенением). Поскольку топливо в дизеле подается в форсунку под давлением, скорость топлива увеличивается и имеет место явление кавитации в сопловом канале.
Наше предположение заключается в том, что молекулы газа могут проходить между кластерами жидкости, нарушая тем самым их связи. Предполагается, что благодаря кавитационным пузырькам и их схлопыванию и разрушаются связи между кластерами жидкого дизельного топлива. Отметим, что кавитация является одним из способов разрыва межкластерных связей, не единственным. А распределение по объему камеры сгорания достигается за счет молекул воздуха, оказывающих аэродинамическое сопротивление. Таким образом, результатом распыливания является разделенная на мельчайшие капли струя топлива, каждая из которых содержит множество кластеров этой жидкости.
Мы можем дать следующее определение распыливанию топлива. Распыливание топлива – процесс, в котором происходит разрушение межкластерных связей в жидком топливе и распределение капель с кластерами жидкости по объему камеры сгорания под воздействием аэродинамического сопротивления молекул воздуха.
Таким образом, мы представили процесс распыления топлива в дизеле на новом уровне, предлагая использовать терминологию физики жидкостей. Представление о кластерном строении жидкого топлива будет развито в дальнейших исследованиях и позволит, на наш взгляд, по-новому взглянуть на вопросы вязкости топлива, поверхностного натяжения и другие.
Литература:
- Гаврилов В.В. Моделирование процесса распада топливной струи в дизеле / Известия Томского политехнического университета. – Томск, 2003. № 4 – С. 69-72.
- Остренко С.А. Гидравлика, гидравлический привод и газовая динамика. – М.: Инфра-М, 1995.
- Рождественский В.В. Кавитация. – Л.: Судостроение, 1977. – 247 с.
- Большаков В.И., Воробьев Г.М., Кривуша Л.С., Тютерев И.А., Ротт Н.А. О кластерной модели строения металлических расплавов / Вiсник Приднiпровськоi державноi академii будiвництва та архiтектури. – Днепропетровск, 2008. № 5 – С. 5–10.
- Гончарук В.В., Смирнов В.Н., Сыроешкин А.В., Маляренко В.В. Кластеры и гигантские гетерофазные кластеры воды / Химия и технология воды. – Киев, 2007. № 1 – С. 3–17.
- Lower S.K. / Diss. Doct. Philosophy. – Blackburn, Virginia, USA, 2001.
- Pat. 6521248, USA, MKI A61K 047/00; 009/00; C02F 003/00 / M.A. Holloway, J.W. Holloway. – Publ. 18.02.2003.
- Pat. 20030035846 USA, MKI A61K 033/00; 007/00 /Hattori Toshimitsu, Matsushita Kazuhiro.– Publ. 20.02.2003.
- Pat. 5800576 USA, MKI C01L 001/32 / K.H.Johnson, B. Zhang, H.C.Clark. – Publ.12.01.1998.
