Технические науки / 5. Энергетика

Доц., к.т.н. Плотников Л. В., проф., д.ф-м.н. Жилкин Б.П.,

асп. Григорьев Н. И.

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

Особенности численных и экспериментальных исследований процесса выпуска 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 выпуска 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) в выпускном канале от угла поворота коленчатого вала j при разных частотах вращения коленчатого вала: а – n = 1500 мин^-1; б – 3000 мин^-1

Для экспериментальных исследований процесса выпуска в поршневых ДВС была разработана и изготовлена экспериментальная установка, представляющая собой натурную модель одноцилиндрового двигателя без поршневой части. Подробное описание особенности функционирования установки, конфигурации выпускного тракта, а также датчиков и методов измерения представлено в [3].

Исследования проводились в выпускном канале в разных контрольных сечениях при различных частотах вращения коленчатого вала при разных постоянных избыточных давлениях на выпуске без использования глушителя шума. Температура воздуха в подающей магистрали составляла 22 – 24 ^оС. Среднее избыточное давление р_b в камере перед выпускным клапаном регулировалось в диапазоне 0,5 – 2,0 бар.

Основные результаты экспериментальных исследований процесса выпуска 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 в выпускном канале при избыточном давлении р_b = 2,0 бар при разных частотах вращения коленчатого вала: а – n = 600 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 в выпускном канале наблюдаются на протяжении всего рабочего цикла двигателя (720 град. п.к.в.), включая периоды, когда выпускной 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. Об изменении газодинамики процесса выпуска в поршневых ДВС при установке глушителя / Л. В. Плотников, Б. П. Жилкин, А. В. Крестовских, Д. Л. Падаляк // Вестник академии военных наук. – 2011. – № 2. – С. 267-270.