Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЗА ВПУСКНЫМ КЛАПАНОМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Жаров А.В. 1 Чаплиц А.Д. 2 Крайнов А.А. 1 Павлов А.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет»
2 Институт технической механики Национальной академии наук Украины Национального космического агентства Украины
Основополагающими процессами в двигателях внутреннего сгорания, оказывающими существенное влияние на последующие процессы смесеобразования и сгорания, являются процессы впуска. Совершенство процесса впуска зависит от особенностей взаимного влияния впускных каналов и клапанных щелей впускных клапанов на гидрогазодинамические характеристики течения рабочего тела двигателя внутреннего сгорания. Создать оптимальную конструкцию каналов и клапанной щели впускной системы двигателя внутреннего сгорания без детального исследования процессов, протекающих в ней, невозможно. В связи с этим целью работы является исследование изменения характеристик течения за клапанной щелью впускного клапана в зависимости от конструкции впускного коллектора для совершенствования всего впускного тракта двигателя внутреннего сгорания. Для исследования применяется метод визуализации потока. В результате применения метода визуализации потока выполнен комплекс исследовательских работ и приведены их результаты по изучению гидрогазодинамических особенностей течения рабочего тела за клапанной щелью впускного клапана: полей скоростей, турбулентных пульсаций потока, распределения пленки и капель жидкой фазы топлива по каналу. В итоге работы усовершенствована впускная система двигателя внутреннего сгорания. Моторные испытания двигателя внутреннего сгорания с усовершенствованной впускной системой показали положительный результат.
двигатель
впускной коллектор
клапанная щель
впускной клапан
гидрогазодинамические характеристики
1. Базаров Д.И. Турбулизаторы топливовоздушной смеси и показатели двигателя с искро­вым зажиганием / Д.И. Базаров, Б.Х. Холмурзаев, К.Р. Шарипов // Автомобильная промыш­ленность. – 2002. – № 11. – С. 27–30.
2. Белоконь К.Г. Визуализация структуры течения во впускных и выпускных каналах ДВС с использованием теневого прибора ИАБ-458 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.kampi.ru/scitech/base/nomer10/belokon/ belokon.htm (дата обращения 10.05.2012).
3. Белоконь К.Г. Разработка конструкции, исследование и доводка геометрической формы впускных и выпускных каналов головок цилиндров двигателей семейства Камаз: дис. … канд. техн. наук: 05.04.02. – Набережные Челны, 2001. – 151 с.
4. Гальговский В.Р. Энергетические показатели транспортных двигателей / В.Р. Гальговский, Д.С. Мокроусов, Н.Д. Чайнов // Двигателестроение. – 2009. – № 4. – С. 6–10.
5. Жаров А.В., Павлов А.А., Большаков В.А. Способ получения седла клапанов чугунных головок цилиндров двс при их изготовлении или восстановлении методом электродуговой наплавки // Патент России № 2448825 С2, 10.01.2012. Бюл. № 12.
6. Кочетков Ю.М. Турбулентность сложных каналов // Двигатель. – М.: НИИЭАП, 2008. – № 3(57) – С. 77.
7. Петунин А.Н. Методы техники измерения параметров газового потока. – М.: Машино­строение, 1972. – 232 с.
8. Письменный Д. Н. Влияние конфигурации ребер – турбулизаторов на теплообмен и потери давления в охлаждающем канале вдоль входной кромки лопатки / Д.Н. Письменный, Ю.Я. Дашевский, А.А. Халатов // Промышленная теплотехника. – 2010. – Т. 32, № 4. – С. 54–62.
9. Поваляев В.А. Улучшение показателей работы тракторного дизеля совершенствова­нием впускных каналов: дис. … канд. техн. наук: 05.04.02. – Челябинск, 2007. – 185 с.
10. Христенко А.В., Леонов В.Е. Впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания // Патент России № 2275516 С1, опубл. 28.12.05. Бюл. № 12.
11. Чаплиц А.Д., Астапов А.И. Визуализация газовых потоков во внутренних каналах. Днепропетровск: НАН Украины и НКА Украины, Институт технической механики, 2007. – 209 с.
12. Чаплиц А.Д. Исследование газодинамических параметров во впускном коллекторе ав­томобильного двигателя с применением методов визуализации // Материалы второго респуб­ликанского научно-технического семинара по улучшению показателей тепловых двигателей и ресурсосбережению. – Мелитополь: Таврическая государственная агротехническая акаде­мия, 1996. – С. 37-38.
13. Чаплиц А.Д. Исследование газодинамики впускного тракта двигателя МеМЗ-245 с применением методов визуализации // Вестник харьковского государственного политехниче­ского университета. Сборник научных трудов. – Харьков: ХДПУ, 1999 - Вып. 85. – С. 129–135.
14. Юмагузин Т.А., Брянцев А.Х. Устройство для гомогенизации топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания // Патент России № 2166116 С1, 27.04.2001. Бюл. № 5.

Основополагающими процессами в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), оказывающими существенное влияние на последующие процессы смесеобразования и сгорания, являются процессы впуска. Совершенство процесса впуска зависит от особенностей взаимного влияния впускных каналов и клапанных щелей впускных клапанов на гидрогазодинамические характеристики течения рабочего тела ДВС. Здесь значение впускных каналов в головке цилиндров состоит в том, что наряду с влиянием на наполнение они оказывают существенное влияние на турбулизацию заряда смеси в цилиндре ДВС, что в конечном итоге интенсифицирует процессы сгорания и непосредственно влияет на его эффективность. Кроме этого, для повышения эффективности ДВС необходимо уменьшить затраты энергии на процессы наполнения. Отметим, что по данным [3] во впускном тракте наибольшие потери энергии сосредоточены на участке перехода потока из коллектора в канал и в самом канале (с клапанной щелью) и составляют до 90 % от всех потерь на впуске. Создать оптимальную конструкцию каналов и клапанной щели впускной системы ДВС без детального исследования процессов протекающих в ней невозможно. В связи с этим целью работы является исследование изменения характеристик течения за клапанной щелью впускного клапана в зависимости от конструкции впускного коллектора для совершенствования всего впускного тракта ДВС.

В настоящее время существует ряд экспериментальных способов доводки и оценки впускного тракта двигателей. При этом в ряде случаев о совершенстве конструкции двигателя судят по его мощностным и экономическим показателям. Одна из методик доводки впускного тракта ДВС с применением методов визуализации для их плоских моделей описана в работах [2, 11]. В работе [11] описаны усовершенствованные методы доводки и оценки впускного тракта ДВС на основе комплексного исследования его газодинамических характеристик: полей скоростей, турбулентных пульсаций потока, визуализации структуры течения в канале. Исследованию технологических и газодинамических особенностей впускных каналов посвящены работы [1, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 14]. В настоящей работе выполняется совершенствование методики доводки и оценки впускного тракта ДВС методами визуализации потока. Исследования впускных каналов головки блока цилиндров проводились одновременно с исследованиями всего впускного тракта двигателя 4Ч 7,2/6,7 и непосредственно предшествовали его моторным испытаниям [12, 13]. Исследования проводились на установке, схематично показанной на рис. 1 с использованием в качестве рабочих тел «холодного» воздуха и воды. Схемы каналов варьируемых впускных коллекторов приведены на рис. 2 [11]. Базовые испытания проводились на серийной головке цилиндров в сборе с деталями газораспределительного механизма. При испытаниях к головкам блока пристыковывались серийный коллектор и экспериментальный – ИТМ-2 (рис. 2).

Головка цилиндров в сборе с серийным и экспериментальным коллекторами (препарированными для проведения эксперимента) продувалась воздухом с целью оценки аэродинамического сопротивления по каждому каналу и измерения полей скоростей и турбулентных пульсаций [11]. Воздух при давлении (103… 104) Па подавался по трубопроводу 2 (рис. 1) через фильтр 3 и карбюратор 4 с удаленным поплавком. По трубопроводу 5 на соответствующих режимах испытаний подавалась вода. Давление в модели контролировалось с помощью датчика 6 типа ИКД и U-образного манометра 7. Для определения расхода воздуха применялось стандартное сужающееся сопло 8. Перепад на нем измерялся с помощью датчика 9 «САПФИР», давление и температура до сопла определялись с помощью датчика 6 и термопары 10 типа L (ТХК). Погрешность определения расхода воздуха не превышала 1,5 %.

pic_14.tif

Рис. 1. Схема исследовательской установки: 1 – впускной коллектор; 2 – подвод воздуха; 3 – фильтр; 4 – карбюратор; 5 – подвод имитатора топлива; 6 – датчики давления; 7 – U-образный манометр; 8 – расходомерный участок; 9 – датчик перепада давления; 10 – термопара; 11 – нить термоанемометра; 12 – координатное устройство; 13 – головка цилиндров

pic_15.tif

Рис. 2. Контуры внутренних каналов коллекторов: серийного и экспериментального [12]

Аэродинамическое сопротивление впускных каналов коллектора ввиду его малости оценивалось по величине расхода воздуха при продувке каждого канала от одного базового давления. Осредненная скорость и интенсивность турбулентности потока определялись с помощью комплекта термоанемометрической аппаратуры с измерителем 11 (рис. 1) на основе вольфрамовой нити. Продольное X и поперечное Y перемещения измерителя осуществлялись координатным устройством 12 с точностью до 0,1 мм. Замеры производились в 24 точках с шагом 2 мм в плоскостях в соответствии со схемой, указанной на рис. 3. Погрешность измерения осредненной скорости не превышала 5 %. Показания термоанемометров контролировались по измерителю скорости ЦАГИ, описанному в [7].

На рис. 3 представлены профили скоростей на выходе из впускных каналов (3 и 4 цилиндров) головки цилиндров в сборе с серийным и модернизированным впускными коллекторами при максимальном открытии клапанов.

pic_16.tif

Рис. 3. Профили скорости за впускным клапаном: 1 – серийный впускной коллектор; 2 – модель коллектора ИТМ – 2; а – третьего цилиндра; б – четвертого цилиндра

Исследование распределения скоростей за клапаном при варьировании геометрией каналов впускных коллекторов показало, что соответствующие профили имеют примерно одинаковые характеристики как в качественном, так и количественном отношении. При этом для крайнего (четвертого) канала наблюдается выравнивание поля скоростей относительно ядра потока. Для канала 3 наблюдается незначительное увеличение скорости при использовании коллектора ИТМ-2, которое может быть объяснено его меньшим гидравлическим сопротивлением. Указанные обстоятельства в том числе приводят к заметному уменьшению выпадения топлива на стенку виде пленки [13].

Интенсивность турбулентности вычислялась как отношение среднеквадратичного значения пульсационной составляющей (турбулентности) к осредненной скорости:

Eqn36.wmf

Графические зависимости распределения интенсивности турбулентности по сечениям приведены на рис. 4. Распределение интенсивности турбулентности по сечению потока для двух типов впускных каналов примерно одинаково по форме и абсолютному значению для третьего цилиндра. Для цилиндра 4 наблюдается незначительное увеличение абсолютной величины интенсивности турбулентности. Испытания еще раз подтвердили, что пульсации за клапанной щелью впускного клапана определяются свойствами всей впускной системы и, в частности, конструкцией канала в головке блока, формой клапана, седла и условиями истечения.

Особый интерес представлял замер распределения капель жидкой фазы имитатора топлива по площади потока при различных режимах (рис. 5).

На рис. 5 по вертикальной оси отложено количество капель воды в секунду, зарегистрированных нитью термоанемометра. Отличия в распределении заметны лишь в поперечном сечении и объясняются большей плотностью имитатора топлива по отношению к продувочному воздуху. Подсчет взвешенных капель производился в точках замера скорости по пику электрического сигнала усилителя при охлаждении нити датчика каплей. Указанный вид исследований показывает соотношение между распыленным в поток топливом и выпавшим в виде пленки на стенку. Такие замеры особенно эффективны на режимах запуска холодного двигателя, особенно совместно с методом визуализации «Лазерный нож» [3]. При такой схеме испытаний лазерный луч, развернутый в плоскость, «разрезал» поток на выходе из клапанной щели. Для уточнения направления течения в локальных областях проводилась визуализация методом шелковинок и задымления (рис. 6).

pic_17.tif

Рис. 4. Интенсивность турбулентных пульсаций за впускным клапаном: 1 – серийный впускной коллектор; 2 – модель коллектора ИТМ – 2; а – третьего цилиндра; б – четвертого цилиндра

pic_18.tif

Рис. 5. Распределение капель жидкой фазы имитатора топлива за впускным клапаном: 1 – серийный впускной коллектор; 2 – модель коллектора ИТМ – 2; а – третьего цилиндра; б – четвертого цилиндра

pic_19.tif

Рис. 6. Схема визуализации картины течения за впускным клапаном: 1 – впускной клапан; 2 – выпускной клапан; 3 – истечение из щели; 4 – область возвратных течений; 5 – донная область; 6 – подвод воздуха; 7 – свеча зажигания; 8 – трубка подвода дыма; 9 – клапан;10 – генератор дыма; 11 – державка шелковой нити; 12 – нить; 13 – плоскость «Лазерного ножа»; а – дымовым методом с помощью «Лазерного ножа»; б – методом «шелковой нити»

Результаты моторных испытаний модернизированного впускного тракта в составе двигателя 4Ч 7,2/6,7 на моторном стенде выявили, что температура топливовоздушной смеси на выходе из коллекторов составляла 40 °С. Для модели коллектора ИТМ 2 зафиксировано увеличение (до 3…5 %) крутящего момента и мощности двигателя при эксплуатационных режимах его работы. Часовой расход топлива незначительно отличается для обоих вариантов впускных систем.

Рецензенты:

Епархин О.М., д.т.н., профессор, Ярославский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ), г. Ярославль;

Мурашов А.А., д.т.н., профессор кафедры математических и естественнонаучных дисциплин Московского финансово-юридического университета МФЮА, г. Москва.

Работа поступила в редакцию 27.05.2013.


Библиографическая ссылка

Жаров А.В., Чаплиц А.Д., Крайнов А.А., Павлов А.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЗА ВПУСКНЫМ КЛАПАНОМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-6. – С. 1344-1348;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31738 (дата обращения: 04.06.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074