Influence of cross-section forms of input pipe on flow dynamics and air consumption characteristics of admission process in internal combustion engine

УДК 621.436

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВПУСКНОГО КАНАЛА НА ГАЗОДИНАМИКУ И РАСХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ВПУСКА В ДВС

Б.П. ЖИЛКИН, Л.В. ПЛОТНИКОВ

Уральский государственный технический университет - УПИ

На натурной модели поршневого ДВС проведены исследования зависимостей расходов воздуха через впускной канал от частоты вращения коленчатого вала при размещении в тракте вставок различной формы поперечного сечения. Показано, что применение таких вставок сглаживает пульсации потока и изменяет расходные характеристики.

Ключевые слова: энергетика, машиностроение, поршневые ДВС, процесс впуска, газодинамика, расходные характеристики.

Генеральным направление развития энергомашиностроения является улучшение технологических (потребительских) качеств выпускаемых двигателей. Ключевым параметром, определяющим совершенство рабочего процесса поршневого ДВС, является его удельная масса. Одним из способов улучшения этого показателя является совершенствование процесса впуска, а в частности, увеличение расхода воздуха через цилиндры двигателя, что повысит мощность ДВС.

Рабочие характеристики поршневых двигателей внутреннего сгорания в значительной степени зависят от совершенства процессов, протекающих в их газовоздушных трактах. Исследованию и оптимизации впускных и выпускных систем двигателей внутреннего сгорания посвящены труды Вихерта М.М., Грудского Ю.Г., Драганова Б.Х., Круглова М.Г., Обухова В.С., Яновича Ю.В., Войтко В.Г. и других [1, 2, 3]. Однако их исследования проводились, в основном, методами численного моделирования или экспериментально в статических условиях. Сведения о динамике процесса впуска очень ограниченны и весьма противоречивы. Так наиболее полные данные об изменении скорости потока воздуха во впускной системе ДВС [1] получены лишь для одного такта - такта впуска. При этом данные получены для частот вращения коленчатого вала от 600 до 1800 об/мин, тогда как в современных двигателях основной диапазон рабочих частот вращения составляет не менее 500-3000 об/мин.

Примечательно, что для обеспечения равномерного поля скоростей во впускной системе двигателей внутреннего сгорания применяют каналы с круглой или слегка овальной формой поперечного сечения.

Вместе с тем известно, что в каналах, лишенных полной симметрии (далее несимметричные каналы), возникают сложные устойчивые вихревые течения [4], которые могут повлиять на газодинамику и расходные характеристики впускного тракта двигателя внутреннего сгорания. Результаты исследования нашей гипотезы о влиянии формы поперечного сечения на газодинамику и расходные характеристики приводятся ниже применительно к двигателю размерности 7,1/8,2.

© Б. П. Жилкин, Л.В. Плотников Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

Для экспериментального исследования процесса впуска в двигателе была разработана и изготовлена опытная установка. Она представляет натурную модель одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, приводимую во вращение асинхронным двигателем, частота вращения которого регулируется преобразователем частоты Altivar 31 фирмы Schneider Electric в диапазоне и=600-3000 об/мин с относительной погрешностью ± 0,1 %.

На рис. 1 показана конфигурация впускного тракта экспериментальной установки. К головке цилиндра пристыкован на шпильках сменный (профилированный) участок впускного канала 1 длиной L1=150 мм. К нему при помощи хомутов крепится измерительный участок 2 длиной L2=220 мм и диаметром d=32 мм. В измерительном канале имеется отверстие на расстоянии L3=200 мм от входа для установки датчика термоанемометра. Следует отметить, что, учитывая высокую стабильность вихревых течений, необязательно выполнять весь впускной тракт несимметричным, отсюда участок с несимметричным поперечным сечением представлял собой вставку, размещенную между измерительным участком и криволинейным впускным участком в головке цилиндра. Если общая длина впускного тракта до седла клапана равна 540 мм, то участок с несимметричным поперечным сечением составлял приблизительно 30% от нее. Использовались вставки с поперечным сечением в форме круга, квадрата и равностороннего треугольника. Во всех случаях эквивалентный (гидравлический) диаметр d3 равен 32 мм.

Ступеньки на переходе участков разной формы были сглажены пластичным материалом.

Рис. 1. Конфигурация впускного тракта экспериментальной установки: 1 - профилированная вставка; 2 - цилиндрический измерительный канал; 3 - датчики термоанемометра; 4 - штатный (круглый) впускной участок в головке цилиндра; 5 - впускной клапан

Для проведения исследований на базе аналого-цифрового преобразователя фирмы Ь-Са^ была создана автоматизированная система, передающая собранные данные в персональный компьютер. Для измерения скорости потока воздуха использовался термоанемометр постоянной температуры оригинальной конструкции, чувствительным элементом которого являлась нихромовая нить диаметром 5 мкм и длиной 5 мм. Систематическая ошибка измерения скорости

составляла 5,4 %. Частота вращения измерялась тахометрическим датчиком, состоящим из зубчатого диска, закрепленного на валу, и индуктивного датчика. Сигнал на выходе датчика образует импульс напряжения с частотой, пропорциональной скорости вращения коленчатого вала. По этим импульсам можно судить о положении вала и, соответственно, определять нахождение поршня в ВМТ и НМТ.

Исследования газодинамики процесса наполнения проводились с впускной системой различной конфигурации с фильтром и без фильтра при разных частотах вращения коленчатого вала экспериментальной установки. В данной статье рассматриваются результаты исследования процесса впуска без фильтра.

На рис. 2 показана зависимость средней по сечению впускного канала скорости воздуха V с различными вставками от угла поворота коленчатого вала ф (п.к.в.) при частоте вращения коленчатого вала 1500 об/мин.

Из рис. 2 видно, что процесс впуска начинается фактически с установившегося состояния. При всех формах поперечного сечения в начале процесса наполнения, в зависимости V=f(ф), просматривается зона перегиба (зона I). После закрытия впускного клапана существенные пульсационные эффекты наблюдаются при круглом и квадратном поперечных сечениях, тогда как при треугольном - они менее выражены.

Рис. 2. Зависимость скорости воздуха V во впускных участках с различной формой поперечного сечения от угла поворота коленчатого вала фпри частоте вращения 1500 об/мин

Было установлено, что наибольший объемный расход воздуха при всех частотах вращения коленчатого вала получается при вставке с треугольным поперечным сечением (рис. 3). Это превышение в какой-то мере связано с наибольшей площадью поперечного сечения при равных йэ. Но этот фактор не может быть определяющим, поскольку профилированная вставка занимает по протяженности небольшую часть канала и в ней возникают дополнительные гидравлические сопротивления входа и выхода потока из этого участка. Вероятно, обсуждаемый эффект вызван стабилизирующим влиянием вихревых структур, образующихся в углах треугольного и квадратного профилей. На стабилизацию указывает и более быстрое угасание пульсаций после закрытия впускного клапана в каналах с несимметричными вставками.

65 -г (З-ю^ м3/с 55 -

/

/

/

2

45 -

35 -

25 -

15

5

500

1000

1500

2000

2500

3000 п, об/мин

Рис. 3. Зависимость объемного расхода Q воздуха через впускные участки различной формы поперечного сечения в зависимости от частоты вращения коленчатого вала п. Форма сечения: 1 - круг; 2 - квадрат; 3 - равносторонний треугольник

Весьма важным обстоятельством, с точки зрения рабочей характеристики двигателя, является резкое возрастание крутизны расходной характеристики в области 1800<п<2800 об/мин в канале с треугольным поперечным сечением, по сравнению с круглым и квадратным.

Эскизные проработки и оценочные расчеты для впускных трактов ряда отечественных и зарубежных двигателей показали, что выполнение профилированной части впускного тракта не создает серьезных конструктивных и технологических проблем, а удельная масса двигателя - один из важнейших показателей - может быть снижена на 20%.

Вместе с тем, учитывая специфику [5] формирования турбулентных структур, следует отметить, что оптимальные геометрические характеристики впускного тракта в целом, включая длину и местоположение профилированной вставки, равно как и достигаемый в результате оптимизации положительный эффект, можно установить только путем НИОКР при создании конкретного двигателя.

Со вставкой, имеющей треугольную форму поперечного сечения, процесс впуска протекает более плавно, чем при других формах. В этом случае достигается наибольший расход воздуха через впускной канал при всех исследованных частотах вращения. При треугольном поперечном сечении вставки в области изменения частоты вращения коленчатого вала 1800<п<2800 об/мин наблюдается более крутая расходная характеристика по сравнению с круглым и квадратным сечениями, что может указывать на возможность более быстрого набора двигателем мощности в основной рабочей зоне. Гладкий канал с круглой формой поперечного сечения дает линейную расходную характеристику.

Выводы

Использование во впускной системе с вставки с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника приведет, за счет повышения мощности, к улучшению важнейшего конструктивного показателя двигателей - снижению удельной массы на 20%.

Summary

On the full-scale model of internal combustion engine the investigations of air consumption through input pipe was carried out at different crankshaft rotation frequencies. The inserts of various cross-section forms were installed in the input pipe. It is shown that the application of this inserts smooths flow fluctuations and changes air consumption characteristics.

Key words: power engineering, machine building, free-piston engine, air admission, gas dynamics, throttling characteristics.

Литература

1. Драганов Б.Х., Круглов М.Г., Обухова В.С. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1987. 175 с.

2. Вихерт М.М., Грудский Ю.Г. Конструирование впускных систем быстроходных дизелей. М.: Машиностроение, 1982. 151 с.

3. Янович Ю.В., Войтка В.Г. Анализ способов вихреобразования во впускной системе автомобильных двигателей с распределенным впрыском бензина // Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС. Материалы VII Междунар. науч. - практ. семинара. Владимир, 1999. С.28-31.

4. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

5. Климонтович Ю.Л. Турбулентное движение и структура хаоса: новый подход к статистической теории открытых систем. М.: Наука, 1990. 320 с.

Поступила в редакцию 31 марта 2009 г.

Жилкин Борис Прокопьевич - д-р физ.-мат. наук, профессор каф. «Теоретическая теплотехника» Уральского государственного технического университета. Тел.: 8-912-2240402. E-mail: tot@ustu.ru.

Плотников Леонид Валерьевич - аспирант каф. «Теоретическая теплотехника» Уральского государственного технического университета. Тел.: 8-922-2916450; 375-95-97.