Технические науки / 5. Энергетика

Доц., к.т.н. Плотников Л. В., асп. Кочев Н. С.

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

Проектно-внедренческие решения для конструктивного совершенствования впускных и выпускных систем поршневых двигателей

Известно, что высокие технико-экономические показатели двигателя могут быть достигнуты только при оптимальных газодинамических и тепловых характеристиках процессов газообмена ДВС, которые в свою очередь зависят от конструктивного исполнения впускных и выпускных коллекторов. При этом, результатами модернизации газовоздушных трактов, основанными на традиционных подходах (статической продувки систем), обычно являлись увеличение проходных сечений каналов и сглаживание углов. На сегодняшний день модернизация газовоздушных трактов двигателей должна опираться на новые подходы, связанные с учетом влияния сильной газодинамической нестационарности на тепломеханические характеристики течения газовых потоков во впускных и выпускных системах ДВС. Поэтому очевидно, что провести точные расчеты расходных характеристик, подогрева свежего заряда (или охлаждения отработавших газов), определить динамику распределения температуры в элементах газовоздушных трактов, а затем разработать новые конструктивные решения впускных и выпускных систем можно только на основе научных исследований на натурных стендах, учитывающих нестационарность процессов газообмена.

Для реализации такого подхода коллективом авторов были спроектированы и изготовлены экспериментальные установки [1, 2] для исследования газодинамики и теплообмена процессов газообмена и разработки технических решений по модернизации конструкций газовоздушных систем.

На основе экспериментальных исследований процессов газообмена с учетом влияния газодинамической нестационарности был предложен одним из способов модернизации газовоздушных трактов двигателей – поперечное профилирование каналов [3, 4]. Были разработаны конструкции впускных коллекторов с поперечным сечением в форме квадрата и равностороннего треугольника. Предлагаемые конструкции отличаются от традиционных каналов с круглым или овальным поперечным сечением тем, что часть впускного коллектора предпочтительно не менее 30% общей его протяженности выполнена профилированной с поперечным сечением в виде квадрата или равностороннего треугольника с эквивалентным гидравлическим диаметром, равным эквивалентному гидравлическому диаметру впускного окна в головке цилиндра [5, 6]. Аналогичная конструкция применима и для выпускной системы [7]. Подобные конструкции позволяют создать в углах профилей устойчивые вихревые структуры, которые стабилизируют течение и улучшают расходные характеристики.

Для выпускных систем возможно и продольное профилирование коллектора. В этом случае отличие модернизированной конструкции будет состоять в том, что часть выпускного коллектора выполнена в виде конфузора со степенью сужения по ходу потока не менее 1,5 [8]. Данный способ также направлен на стабилизацию течения отработавших газов в выпускной системе за счет поджатия потока, что также приводит к улучшению расходных характеристик.

Следует отметить, что рассмотренные выше способы совершенствования процессов газообмена актуальны только для атмосферных двигателей, и они не работают в двигателях с наддувом. Для комбинированных ДВС необходимо разрабатывать совершенно другие технические решения, позволяющие совершенствовать течения газов с учетом нового источника возмущений – турбокомпрессора. Коллективом авторов была предложена следующая конструкция впускной системы поршневого двигателя с наддувом, отличающаяся от традиционной тем, что в соединительном патрубке, на участке от нагнетателя до впускного коллектора установлен электропневмоклапан, позволяющий перенаправлять некоторый объем свежего заряда, подаваемого нагнетателем [9]. Такое решение также позволяет стабилизировать течение свежего заряда во впускной системе двигателя при сохранении расходных характеристик через каналы.

Отдельно следует отметить активные методы модернизации газовоздушных трактов поршневых двигателей. Так, на основе экспериментальных исследований тепломеханических характеристик потока в выпускной системе была предложено решение использования эффекта эжекции. В данном случае конструктивное отличие состояло в том, что в коллекторе выпускном установлена эжекционная трубка, в которую подается воздух через электропневмоклапан [10]. Рассматриваемое устройство создает дополнительное разряжение в выпускном коллекторе, а также выравнивает течение газов, что в совокупности улучшает очистку цилиндров от отработавших газов.

Таким образом, на сегодняшний момент исследователи и инженеры встали пред фактом разработки новых методик расчета и подходов к проектированию систем двигателей. Приведенные способы модернизации газовоздушных каналов двигателей должны способствовать изменению представлений о принципах совершенствования впускных и выпускных систем ДВС.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант мол_а, договор № 16-38-00004\16).

Литература:

1. 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.

2. Жилкин Б. П. Некоторые особенности газодинамики процесса впуска при наддуве поршневых ДВС / Б. П. Жилкин, Д. С. Шестаков, Л. В. Плотников // Тяжелое машиностроение. 2012. № 2. С. 48-51.

3. Жилкин Б. П. Влияние формы поперечного сечения впускного канала на газодина-мику и расходные характеристики процесса впуска в ДВС / Б. П. Жилкин, Л. В. Плотников // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики, 2009, №7-8, С. 94-98.

4. Плотников Л. В. Зависимость расходных характеристик процесса выпуска в ДВС от формы поперечного сечения канала / Л. В. Плотников, Б. П. Жилкин, Н. И. Григорьев // Турбины и дизели, 2013, № 4. С. 56-60.

5. Жилкин Б. П., Плотников Л. В. Впускная система поршневого двигателя. Патент на полезную модель F02B 29/02 № 81263 от 10.03.2009; заяв. 2008134035/22 от 18.08.2008. Опубл. 10.03.2009 бюл. № 7.

6. Жилкин Б. П., Плотников Л. В. Впускная система поршневого двигателя. Патент на полезную модель F02B 29/00 № 127406 от 23.08.2013; заяв. 2012136097/06 от 23.08.2012. Опубл. 27.04.2013 бюл. № 12.

7. Жилкин Б. П., Плотников Л. В., Крестовских А. В., Падаляк Д. Л. Система выхлопа поршневого двигателя. Патент на полезную модель F02B 27/00 № 114096 от 08.06.2011; заяв. 2011123195/28 от 08.06.2011. Опубл. 10.03.2012 бюл. № 7.

8. Жилкин Б. П., Плотников Л. В., Григорьев Н. И. Система выхлопа поршневого двигателя. Патент на полезную модель F02B 27/04 № 121525 от 27.10.2012; заяв. 2012107933/06 от 01.03.2012. Опубл. 27.10.2012 бюл. № 30.

9. Жилкин Б. П., Плотников Л. В., Шестаков Д. С. Впускная система поршневого двигателя с наддувом. Патент на полезную модель F02B 33/44 № 118363 от 20.07.2012; заяв. 2012105249/06 от 14.02.2012. Опубл. 20.07.2012 бюл. № 20.

10. Жилкин Б. П., Плотников Л. В., Григорьев Н. И. Система выхлопа поршневого двигателя. Патент на полезную модель F02B 27/04 № 135728 от 23.04.2013; заяв. 2013118761/06 от 23.04.2013 Опубл. 20.12.2013 бюл. № 35.