Технические науки / 5. Энергетика

Доц., к.т.н. Плотников Л. В., асп. Григорьев Н. И.

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Особенности численных и экспериментальных исследований процесса впуска в поршневых ДВС

Рабочие характеристики двигателей внутреннего сгорания в значительной степени зависят от совершенства процессов, протекающих в их газовоздушных трактах. Исследованию и оптимизации впускных и выпускных систем поршневых ДВС посвящены труды многих авторов [1, 2]. Однако их исследования проводились, в основном, методами численного моделирования или экспериментально в статических условиях. При этом отмечается, что исследование впускных и выпускных каналов численным моделированием, стационарными или квазистационарными методами допустимо лишь для их сравнительного анализа. Применение этих методов для оценки аэродинамических и теплообменных характеристик каналов может привести к недопустимым погрешностям, в особенности при исследовании современных быстроходных двигателей [1]. Основная цель данной работы сравнить результаты численных и экспериментальных исследований процесса впуска с помощью современных программных продуктов и экспериментальных методик. Данная работа выполнена при финансовой поддержке молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ.

Перед экспериментальным исследованием газодинамических характеристик процесса впуска в поршневых ДВС было проведено численное моделирование с помощью программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК, разработанного в МГТУ им. Н. Баумана. Результаты моделирования применительно к двигателю 2Ч 8,2/7,1 представлены на рис. 1.

а)

б)

Рис. 1. Расчетные зависимости расхода воздуха G_в (1) и давления р_х (2) во впускном канале от угла поворота коленчатого вала j при разных частотах вращения коленчатого вала: а – n = 1500 мин^-1; б – 3000 мин^-1

Экспериментальные исследования процесса впуска в поршневых ДВС проводились на натурной модели одноцилиндрового двигателя размерности 8,2/7,1, приводимой во вращение асинхронным двигателем, частота вращения коленчатого вала которого регулировалась в диапазоне n = 600–3000 мин^–1 с точностью ± 0,1%. Более подробно экспериментальная установка описана в [3].

Для измерений мгновенных значений давления в потоке (статического) во впускном канале р_х использовался датчик давления S-10 фирмы WIKA, быстродействие которого – менее 1 мс. Погрешность измерений составляла
± 0,25 %. Для определения мгновенной средней по сечению канала скорости потока воздуха w_х применялись термоанемометры постоянной температуры оригинальной конструкции [4], чувствительным элементом которых являлась нихромовая нить диаметром 5 мкм и длиной 5 мм. Систематическая ошибка измерения скорости w_х составляла 5,4 %. Сигналы со всех датчиков поступали в аналого-цифровой преобразователь и далее передавались в персональный компьютер для дальнейшей обработки.

Основные результаты экспериментальных исследований процесса впуска представлены на рис. 2.

а)

б)

Рис. 2. Экспериментальные зависимости скорости потока воздуха w_х (1) и давления р_х (2) от угла поворота коленчатого вала j во впускном канале при разных частотах вращения коленчатого вала: а – n = 1500 мин^-1; б – 3000 мин^-1

На основании проведенных исследований и полученных результатов можно сделать следующие выводы. Общий вид газодинамических характеристик, полученных с помощью численного моделирования, в целом соответствует экспериментальным данным. Однако, следует отметить, что программы для численного моделирования проводят расчеты в основном в периоды открытия клапанов. В то время как экспериментальные исследования показывают, что газодинамические процессы во впускном канале наблюдаются на протяжении всего рабочего цикла двигателя (720 град. п.к.в.), включая периоды, когда впускной клапан закрыт.

Литература:

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

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

3. Экспериментальное исследование газодинамических процессов в системе впуска поршневого ДВС / Б. П. Жилкин, Л. В. Плотников, С. А. Корж, И. Д. Ларионов // Двигателестроение. – 2009. – №1. – С. 24-27.5.

4. Пат. 81338 RU, МПК G01Р5/12. Термоанемометр постоянной температуры / Плохов С. Н., Плотников Л. В., Жилкин Б. П. №2008135775/22; заявл. 03.09.2008; опубл. 10.03.2009 Бюл. №7.