Технические науки / 5. Энергетика

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

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

Локальная теплоотдача в выпускном тракте поршневого двигателя внутреннего сгорания

Одним из путей совершенствования двигателей внутреннего сгорания является совершенствование его рабочего процесса. Очевидно, что для расчета теплоперепада и для определения температурных напряжений в головке блока и выпускном коллекторе необходимы данные о мгновенной локальной теплоотдаче в них. Однако они практически отсутствуют, что заставляет производить инженерные расчеты в виде оценок по показателям стационарных продувок или расчетными методами на основе одномерных моделей. Вместе с тем известно, что коэффициент теплоотдачи в нестационарных условиях может отличаться от стационарного случая в 2-4 раза [1-4].

С целью установления влияния динамики на интенсивность теплоотдачи в головке блока и выпускном тракте ДВС проводились исследования на натурной модели поршневого двигателя размерности 8,2/7,1. Механизм газораспределения экспериментальной установки заимствован от двигателя автомобиля ВАЗ-ОКА. Фазы газораспределения и подъем клапанов установки соответствовали таковым для данного двигателя. Привод распределительного вала осуществлялся с помощью электродвигателя, частота вращения которого регулировалась преобразователем частоты в диапазоне n_р.в = 300 – 1500 мин^-1, что соответствует частоте вращения коленчатого вала n от 600 до 3000 мин^-1. Более подробно экспериментальная установка описана в работе [5].

Для осуществления необходимых замеров на базе аналого-цифрового преобразователя была создана автоматизированная система, передающая опытные данные в компьютер. В ней для определения мгновенных значений, как скорости потока воздуха w_х, так и локального коэффициента теплоотдачи aх использовался термоанемометр постоянной температуры [6]. Чувствительным элементом датчиков термоанемометра в обоих случаях была нихромовая нить диаметром 5 мкм и длиной 5 мм. Отличие состояло в том, что для измерения скорости потока воздуха использовался датчик со свободной нитью, размещенной перпендикулярно оси выпускного канала. А при определении aх применялся датчик с нитью, лежащей на фторопластовой подложке, который монтировался заподлицо со стенкой канала. Замер частоты вращения и индикация положения распределительного вала производились тахометром. По этим данным определялось условное положение коленчатого вала и прохождение поршнем ВМТ и НМТ.

Конфигурация рабочего участка выпускного тракта экспериментальной установки и места установки датчиков для измерения мгновенных значений средней скорости потока воздуха и локальной теплоотдачи представлены в [7].

В данной работе исследовались три контрольных сечения: вблизи клапана, в канале в головке цилиндра и в выпускном коллекторе.

Исследования проводились для разных частот вращения коленчатого вала при различных постоянных избыточных давлениях на выпуске р_b (от 0,5 до 2,0 бар). Температура воздуха в подающей магистрали составляла около 40 ^оС.

Анализ теплообменных характеристик процесса выпуска начнем с контрольного сечения, расположенного в выпускном коллекторе. Совмещенные зависимости скорости потока воздуха w_х и локального коэффициента теплоотдачи a_х от угла поворота коленчатого вала j при разных частотах его вращения n для избыточного давления р_b = 2,0 бар представлены на рис. 1.

При определении газодинамических условий теплоотдачи в выпускном канале было обнаружено, что пульсации скорости потока воздуха наиболее выражены при низких частотах вращения коленчатого вала при всех значениях избыточного давления. Следует отметить, что противоположный эффект наблюдается в процессе впуска в поршневом ДВС [8], где динамика процесса усложняется (фиксировались более выраженные пульсации скорости потока воздуха) по мере увеличения частоты вращения коленчатого вала. Установлено, что после закрытия выпускного клапана скорость потока воздуха не становится равной нулю и наблюдаются некоторые флуктуации скорости.

Рис. 1. Зависимости скорости потока воздуха w_х (1) и локального (L = 150 мм) коэффициента теплоотдачи a_х (2) от угла поворота коленчатого вала j в выпускном коллекторе при избыточном давлении р_b = 2,0 бар при частоте вращения коленчатого вала n = 3000 мин^-1

Влияние гидродинамических факторов проявляется в динамике процесса теплоотдачи. Возникает (рис. 1) запаздывание по углу интенсивности изменения теплоотдачи от изменения скорости потока воздуха на величину Dj. При этом угол Dj увеличивается с ростом частоты вращения коленчатого вала при всех значениях избыточного давления p_b во всех исследуемых сечениях. Также можно отметить, что вид кривой изменения локального коэффициента теплоотдачи становится более гладким при высоких значениях n.

На этой основе, можно предположить, что в процессе выпуска возникает несколько режимов течения потока воздуха (определяемых частотой вращения коленчатого вала), которые соответственно влияют на структуру и интенсивность изменения локального коэффициента теплоотдачи.

Таким образом, проведенный анализ амплитудно-частотных спектров, скоростных и расходных характеристик в выпускном канале поршневого ДВС свидетельствует о том, что с ростом частоты вращения коленчатого вала газодинамика процесса выпуска меняется, происходит смена режима течения потока. Это должно приводить к трансформации зависимости локального коэффициента теплоотдачи по углу φ. Это можно наблюдать на рис. 1, где с ростом частоты вращения коленчатого вала n наблюдается снижение максимальных значений локального коэффициента теплоотдачи a_х, а также происходит ожидаемое смещение пиков по углу поворота коленчатого вала j.

Далее рассмотрим теплообменные характеристики потока в головке блока двигателя. Для этого обратимся к рис. 2, на котором представлены зависимости локального коэффициента теплоотдачи a_х для всех трех исследуемых контрольных сечений при разных частотах вращения коленчатого вала n.

а)

б)

Рис. 2. Зависимости локального коэффициента теплоотдачи a_х от угла поворота коленчатого вала j в выпускной системе при избыточном давлении р_b = 2,0 бар при разных частотах вращения коленчатого вала: а – n = 600 мин^-1; б – n = 3000

Контрольное сечение: 1 – вблизи клапана; 2 – в канале в головке цилиндра;
3 – в выпускном коллекторе

Из рисунка видно, что максимальные значения локального коэффициента теплоотдачи фактически одинаковы для канала в головке цилиндра и для выпускного коллектора, что характерно для всех частот вращения коленчатого вала. Также следует отметить, что вид кривых изменения теплоотдачи для рассматриваемых случаев фактически идентичен.

Однако обращает на себя внимание изменение локального коэффициента теплоотдачи в контрольном сечении вблизи выпускного клапана. Вид кривой существенно более гладкий, чем в других сечениях. При этом максимальные значения aх в данном сечение меньше в 2-3 раза по сравнению с другими случаями, что также характерно для всех частот вращения коленчатого вала.

В целом, по результатам проведенного исследования можно заключить, что мгновенный локальный коэффициент теплоотдачи наиболее существенно зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя n и угла поворота коленчатого вала φ. При этом с ростом n вероятно происходит перестройка структуры течения в выпускном канале, что оказывает влияние как на расходные, так и теплообменные характеристики процесса выпуска в поршневом ДВС. Это в свою очередь усложняет задачу расчета температурных напряжений в головке цилиндра и выпускном коллекторе, поскольку необходимо учитывать динамику процесса выпуска.

Литература:

1. Краев В.М. Теплообмен и гидродинамика турбулентных течений в условиях гидродинамической нестационарности. / В.М. Краев // Изв. вузов. Авиационная техника. 2005. №3, стр. 39-42.

2. Бухаркин В.Б. Влияние гидродинамической нестационарности на теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе / В.Б. Бухаркин, В.М. Краев // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: тр. XV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева, 23-27 мая 2005 г., Калуга, Россия. М.: МЭИ, 2005. С.71-74.

3. Турбулентный теплоперенос в условиях гидродинамической нестационарности / В.Е. Алемасов, Ф.С. Занько, Н.И. Михеев, В.М. Молочников, Г.В. Стинский // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: тр. XV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева, 23-27 мая 2005 г., Калуга, Россия. М.: МЭИ, 2005. С.41-44.

4. Плотников Л.В. Динамические характеристики газодинамики и теплоотдачи во впускном тракте поршневого ДВС / Л.В. Плотников, Б.П. Жилкин // Двигателестроение. – 2009. – №2. – С. 55-56.

5. 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.

6. 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.

7. Плотников Л. В. Теплообмен в клапанном узле поршневого ДВС при пульсирующем течении газовых потоков / Л. В. Плотников, Б. П. Жилкин, Н. И. Григорьев // Сборник материалов докладов Национального конгресса по энергетике, 8–12 сентября 2014 г.: в 5 т. Т. I. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2014. С. 177-183.

8. 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.