Расчетная оценка качества наполнения свежим зарядом цилиндров поршневого двигателя на стадии проектирования

УДК 621.43

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА НАПОЛНЕНИЯ СВЕЖИМ ЗАРЯДОМ ЦИЛИНДРОВ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Б.А. Шароглазов, В.А. Поваляев

CALCULATED ESTIMATE OF THE ADMISSION QUALITY WITH THE INCOMING CHARGE OF THE PISTON ENGINE CYLINDERS AT THE DESIGNING STAGE

B.A. Sharoglazov, V.A. Povaljaev

Предлагается уравнение для численной оценки величины коэффициента наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом. Результаты расчетнотеоретических исследований сопоставляются с результатами эксперимента.

Ключевые слова: двигатель, свежий заряд, наполнение цилиндров, коэффициент наполнения, впускной канал, коэффициент расхода.

The formula for the numerical evaluation of the coefficient amount of the cylinders admission with an income charge is offered. Results of the design - theoretical researches are compared with the results of the experiment.

Keywords: engine, incoming charge, filling of cylinders, coefficient of admission, admission port, coefficient of flow.

На современном этапе развития поршневого двигателестроения широко применяются методы расчетного прогнозирования показателей рабочего цикла, основанные на использовании математического и компьютерного моделирования. Важной составляющей этих методов является математическая модель коэффициента наполнения (hv). Его численное значение определяется большим числом факторов (величиной подъема клапана, диаметром впускной горловины, качеством обработки внутренних поверхностей, геометрическим профилем проточной части канала, степенью сжатия двигателя и др.), оказывающих воздействие на движение заряда по впускному трубопроводу. Методы комплексной оценки воздействия многих из этих факторов на величину hv, не разработаны. Этим обстоятельством объясняется сравнительная многочисленность применяемых для определения hv уравнений (табл. 1).

В таблице приняты условные обозначение: e - степень сжатия; ра - давление в конце такта впуска, МПа; рк - давление наддувочного воздуха, МПа; Тк - температура наддувочного воздуха, К; Та -температура в конце такта впуска, К; g - коэффициент остаточных газов; рг - давление остаточных газов, МПа; АТ - подогрев воздушного заряда, град; рдоз - коэффициент дозарядки; pmen - коэффициент, учитывающий неравенство теплоемкостей воздушного заряда и отработавших газов; роч - коэффициент очистки объема сжатия; Tr - температура остаточных газов, К.

К достоинствам приведенных в таблице уравнений следует отнести их относительную простоту и наглядность. Но им присущи, как уже отмечалось, и определенные недостатки. В частности, сложность на стадии проектирования оценки таких коэффициентов, как ррдоз, pmen, (роч, g.

Недостатком, по нашему мнению, является и то обстоятельство, что в уравнениях в явном виде не содержатся составляющие коэффициента наполнения, оказывающие воздействие на характер течения заряда по впускной системе и через это - на величину hv.

В самом общем виде уравнение для численной оценки величины коэффициента наполнения может быть записано в форме:

hv = 1 - DhvЕ ,

где суммарная составляющая имеющих место потерь при газообмене может быть представлена выражением

Е ^'’газ + А'под + А'’рас + А'”заб )+ А'”доз '

В соотношении (2): А' - уменьшение ' , обусловленное газодинамическими потерями;

А'у„од - потери от подогрева воздушного заряда, обусловленные подводом теплоты от горячих стенок и переходом части кинетической энергии движущегося заряда в теплоту; А' - потери от расширения остаточных газов; А' - потери вызванные забросом заряда во впускной коллектор; А'Удз -

увеличение г]у за счет дозарядки.

Таблица 1

Часто используемые в расчетах уравнения для численной оценки коэффициента наполнения

№

п/п

Вид уравнения

Источник

1

8 Ра Тк 1

8 - 1 Рк Та 1 + 7

Тк

(

Тк +АТ 8 -1

Л

Ра Рг

-доз8— -ФтепФоч~

Рк Рк 0

8 Ра

8-1 Рк

ФтепФоч Рг 8(Рдоз Ра

\

Тк

Тк +АТ

Тк

8 Ра

8-1 Рк Тк + АТ

(

\

1 т теп Г)

V 8 Ра 0

8 Ра

Тк

8 - 1 РкТк + АТ + -теп-доз7Тг

- +

(Ра. - РГ.Л

Рк Рк

1

8 -1

Тк

Тк +АТ

8 Ра Тк 1

' =---------тФдоз —  Тт -Г+-

8 -1 Рк Т а 1 + 7

8 Ра

Тк

8 - 1 Рк Тк +АТ + 7Тг

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

а

6

6

к

7

7

8

8

Потери АЦ’,одд, а также А' в величине ' могут быть определены выражениями [9]:

А' =АТст +АТад

'упод

Тк

где ЛТст и АТад - повышение температуры свежего заряда при наполнении вследствие теплоотдачи от стенок и торможения, сопровождающегося переходом части кинетической энергии в теплоту. Величина ЛТад оценивается соотношением

АТад =Тк

ад к

(

к-1 ^ к

-1

в котором к - показатель адиабаты; рвп - давление заряда в конце впуска при условии отсутствия при впуске перехода части кинетической энергии в потенциальную вследствие торможения заряда (рвп »рк -Лрвп), МПа, где Лрвп - потери давления воздушного заряда при прохождении его через проточную часть и клапанную щель канала, МПа.

Экспериментальные исследования дизелей типа 4 ЧН 15/20,5 показывают, что повышение температуры заряда при наполнении вследствие теплоподвода от стенок для режимов внешней скоростной характеристики подчиняется зависимости

а

вп у

Расчет и конструирование

АТ =

ІЛ1 СШї

АТ

стн

к • п

где АТстн - повышение температуры заряда при наполнении вследствие теплоотдачи от стенок для номинальной частоты вращения коленчатого вала, град; п = пі / пн - относительная частота вращения коленчатого вала (п - текущая частота вращения; пн - частота вращения, соответствующая номинальному режиму работы); к - эмпирический коэффициент (для дизелей типа 4ЧН15/20,5, по данным авторов, равен 1).

Из (5) и (3) находим АТ„

А^^’под

к • п

+ АТа

Т.,

Из литературных данных

АЛ рас =

1

є -1

п2

- 1

9] следует, что

На основании обработки результатов экспериментальных исследований авторы установили, что повышение коэффициента наполнения, обусловленное дозарядкой, подчиняется зависимости

А ¥(аа1) Рвп -

А^д„з = -------- — • п

даз є -1 -

где у(аа1) - значение кинематической функции изменения объема цилиндра при положении поршня, соответствующем моменту закрытия впускного клапана (а ), Рвп - фаза запаздывания закрытия впускного клапана, авп - продолжительность фазы впуска.

Используя известные выражения для составляющих газообмена [10] А^Угаз , Ацуаа6, а также соотношения (6)-(8), на основании (1)-(2) находим:

Л = 1 -

0,5 •10-6£р>

(т/к )с.

АТ,

к • п

стн г*-,

+ Т

(

к -1

ч к

VРт 0

-1

У

(°0

'

( \п1 "

Ра є / \ -1 п

Рк [ук ь

Тк

У(аа,) Рвп _

+ -------1--------• п

є -1

Р

р

V к 0

п2

-1

є -1

ав

Здесь £ - коэффициент гидравлического сопротивления проточной части впускного канала и клапанной щели может быть определен расчетом с учетом рекомендаций [11]; рк - плотность заряда, кг/м3; Сп - средняя скорость поршня, м/с; — площадь поперечного сечения цилиндра, м2; (и/к)ср - среднее

эффективное значение проходного сечения клапанной щели, м2; /кл - число клапанов; п1 - показатель политропы сжатия.

Обработкой экспериментального материала по продувкам различных каналов (каналы с падающим потоком, тангенциальные, винтовые) авторами получены выражения для определения коэффициента расхода т применительно для впускных каналов различного профиля.

Для впускного канала с падающим потоком

т=1 -

Г и У

-X

Уд

н

Г

\гк;

2

а

+

+

г

к

Є

+

тангенциального впускного канала

т=1 -

( +х + X —) + ( + X —

\рпр ^ пов ^>тк / I ^ І \?сж Ъкл.щ / I

ч2

х ь —

Ъкл.щ / | 7

г 0

/ч V

уд

винтового впускного канала

т=1 -

(х + х ——\+(х + X + х —-

уэпр ^пов / I 7 \ \?сж ^кл.щ Ъвк / I 7

впускного канала 4-х клапанной головки цилиндров

уд

т= 1 - К

(х + х ——1+(х + X —

рпр ^пов) I ^ 0 Х?сж Ъкл.щ/ I

г,, V

уд

В соотношениях (10)-

(13) £пр, £пов, £т.к., £сж, £кл.щ.,

£вк, £уд - коэффициенты сопротивления для прямолинейного участка канала, для участка поворота канала, от тангенциального профиля канала, от сжатия в проточной части канала и от сжатия в клапанной щели, от профиля винтового канала, при ударе потока. К1 - коэффициент, учитывающий потери от взаимного влияния впускных горловин в канале четырехклапанной головке цилиндров (К[ = 1 для каналов с одной горловиной); Нк/ёг -относительный подъем клапана.

Методика определения

£пр, £пов, £т.к., £сж £кл.щ., £вк,

£уд , входящих в (10)-(13), достаточно подробно изложена в [10, 11].

Из анализа результатов расчета и эксперимента вытекает, что профиль проточной части впускного канала, а также количество впускных клапанов, оказывают существенное влияние на величину т и коэффициента наполнения.

По сравнению с приведенными в табл. 1 уравнение (9) является более сложным, что является недостатком. К достоинствам (9) относится то, что с его помощью учитывается влияние на г)у (см. рис. 1) таких факторов, как коэффициент сопротивления проточной части, средняя скорость поршня, площадь поперечного сечения цилиндра, среднее эффективное проходное сечение клапанной

Рис. 1. Изменение составляющих коэффициента наполнения от частоты вращения коленчатого вала дизеля 4ЧН15/20,5:

---комплектация дизеля ТКР-8,5 (с проставкой);

-----комплектация ТКР-11Н3

Расчет и конструирование

щели, число клапанов, величина подъема клапана, диаметр горловины, степень сжатия, фазы запаздывания закрытия впускного клапана и продолжительности впуска, и др.

Для примера рис.1 иллюстрируется выявленный расчетным путем характер протекания составляющих цу в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля 4ЧН15/20,5, а также давлений наддувочного воздуха и газов на входе в турбину, в условиях комплектации двигателей различными типами турбокомпрессоров (рассмотрены условия работы дизеля по внешней скоростной характеристике). При испытаниях использовались одинаковые впускные коллекторы. Это обусловило необходимость применения для установки на коллектор ТКР-8,5 отдельной установочной проставки.

В табл. 2 применительно к номинальному режиму работы дизеля 4 ЧН15/20,5 приведены численные значения коэффициента наполнения, полученные экспериментально, а также расчетным путем по уравнениям таблицы 1 и по предложенному (9). Численные значения цу при проведении экспериментов определялись в соответствии с требованиями государственного стандарта [12]. Ограничение срока действия стандарта снято (Национальные стандарты. Указатель 2005. - М.: ИКП Издательство стандартов, 2005. - Т. 3. - С. 179).

Важным достоинством (9) является возможность с его помощью расчетным путем выявить влияние на Цу уже упоминавшихся факторов ( Ацгаз, Ацпод, Ацрас, Ацзаб, АЦу доз).

Таблица 2

Численные значения коэффициента наполнения, соответствующие номинальному режиму работы дизеля 4ЧН15/20,5

Лу по результатам измерений Значения ,определенные по уравнениям в табл. 1 и по

по № 1 по № 2 по № 3 по № 4 по № 5 по № 6 по № 7 по № 8 по

0,910 (с ТКР-8,5) 0,878 0,925 0,925 0,897 0,889 0,886 0,895 0,877 0,886

0,901 (с ТКР-11Н3) 0,891 0,906 0,905 0,904 0,904 0,891 0,909 0,892 0,890

Отклонение численных значений , полученных по уравнениям, приведенным в таблице 1, с ре-

зультатами эксперимента находятся в пределах от -3,6% до +1,7%.

Полученное по (9) значение меньше определенного экспериментально на 2,64% (для дизеля

4ЧН15/20,5 с ТКР-8,5) и на 1,24% для дизеля 4ЧН15/20,5 с ТКР-11Н3. Это обстоятельство указывает на правомерность использования, полученного авторами соотношения (9) для расчётно-теоретических исследований и оценки на стадии предпроектных и проектных разработок поршневых двигателей.

Литература

1. Орлин, А.С. Краткий обзор деятельности кафедры «Двигатели внутреннего сгорания», МВТУ 1906-1954 г.г. /А.С. Орлин, Д.Н. Вырубов //Двигатели внутреннего сгорания: сб. статей.-М.: Машгиз, 1955. - 205 с.

2. Автомобильные двигатели: учебник / под ред. М.С. Ховаха. - М.: Машиностроение, 1977. -591 с.

3. Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы: учебник / под ред. Н.Х. Дьяченко. - 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. 1974. - 552 с.

4. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей: учебник / под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. -372 с.

5. Двигатели внутреннего сгорания : учебник: в 3 кн. Кн.1. Теория рабочих процессов /подред. В.Н. Луканина. - М. : Высшая школа, 1995. - 368 с.

6. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчет процессов: учебник/ под ред. Б.А. Шароглазова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006.- 382 с.

7. Портнов, Д.А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия: теория, рабочий процесс и характеристики/ Д.А. Портнов .-М.: Машгиз, 1963. - 639 с.

8. Иванченко, Н.Н. Высокий наддув дизелей/Н.Н. Иванченко, О.Г. Красовский, С.С. Соколов.-Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983 .- 198 с.

9. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания:учебник/ А.Э. Симсон, А.З. Хомич, А.А. Куриц и др. - 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Транспорт, 1987. - 536 с.

10. Шароглазов, Б.А. Показатели оценки качества впускных каналов двигателей и их взаимосвязь/ Б.А. Шароглазов, В.А. Поваляев //Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения: Тр. Междун. науч.-техн. конф. - Челябинск, 2006. - С. 237-241.

11. Поваляев, В.А. Определение коэффициента расхода впускных каналов тракторного дизеля/ В.А. Поваляев, В.М. Бунов // Конструирование и эксплуатация наземных транспортных машин: сб. науч. тр. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2002. - С. 47-51.

12. ГОСТ 18509-88. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. М. : Изд-во стандартов, 1988. - 70 с.

Поступила в редакцию 21 мая 2008 г.

Шароглазов Борис Александрович. Доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, заведующий кафедрой «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета. Область научных интересов - исследование и моделирование процессов поршневых двигателей внутреннего сгорания и ДВС необычных схем.

Sharoglazov Boris Aleksandrovich. Dr. Sc. (Engineering), Professor, Honored Worker of Science of the Russian Federation, Head of the Internal Combustion Engines Department of the South Ural State University. Professional interests: research and modeling of the piston internal combustion engines processes and the nonstandart schemes of ICE.

Поваляев Валентин Александрович. Ведущий конструктор ООО «ГСКБ «ТРАНСДИЗЕЛЬ». Область научных интересов - процессы газообмена в двигателях внутреннего сгорания, управление газообменом.

Povalyaev Valentin Aleksandrovich. Chief Designer of the limited liability company «Main Specialized Engineering Department «TRANSDIESEL» (OOO «Golovnoe Specializiro-vannoe Konstruktorskoe Byuro «Transdisel»). Professional interests: gas exchange processes in the internal combustion engines, gas exchange control.