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 %.
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
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.
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:
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).
Рис. 4. Интенсивность турбулентных пульсаций за впускным клапаном: 1 – серийный впускной коллектор; 2 – модель коллектора ИТМ – 2; а – третьего цилиндра; б – четвертого цилиндра
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
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: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31738 (дата обращения: 18.04.2024).