Динамические характеристики процесса впуска в поршневом двигателе внутреннего сгорания

 

Жилкин Борис Прокопьевич,

профессор, доктор физико-математических наук,

Плотников Леонид Валерьевич,

аспирант.

кафедра «Теоретическая теплотехника»,

Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.

 

Изучению процессов во впускных системах ДВС посвящены труды многих авторов [1, 2, 4]. Однако эти работы проводились, в основном экспериментально, в статическом режиме. Вместе с тем, процесс впуска в поршневом ДВС является скоростным, высокодинамичным явлением, а нестационарность может оказывать сильное влияние на его термогазодинамические характеристики. Поэтому методически корректно изучать этот процесс в динамике, рассматривая данные статических продувок как оценочные.

С целью определения динамических показателей процесса впуска в поршневом ДВС проводились исследования на натурной модели одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания размерности 7,1/8,2, приводимой во вращение асинхронным двигателем, частота вращения которого регулировалась с помощью преобразователя частоты Altivar 31 фирмы Schneider Electric в диапазоне  об/мин с точностью ±0,1%.

Для осуществления необходимых замеров на базе аналого-цифрового преобразователя фирмы L-Card была создана автоматизированная измерительная система, передающая опытные данные в компьютер. В ней для определения, как скорости потока воздуха w, так и локального мгновенного коэффициента теплоотдачи a_х использовался термоанемометр постоянной температуры оригинальной конструкции, содержащий блок защиты нити от перегрева. 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 зонд со свободной нитью, размещенной по оси впускного канала. А при определечении a_х применялся датчик с нитью, лежащей на фторопластовой подложке, который монтировался заподлицо со стенкой впускного канала. Систематическая ошибка измерения w составляла 5,4 %, а локального коэффициента теплоотдачи – 10%. Опыты по замеру a_х проводились как при стационарном режиме движения воздуха (впускной клапан был открыт, тяга создавалась из цилиндра специальным эксгаустером), так и реальном, пульсирующем режиме. Замер частоты вращения и индикация прохождения поршнем ВМТ и НМТ производились тахометром, состоящим из зубчатого диска, закрепленного на валу, и индуктивного датчика.

Предваряя рассмотрение проблемы, следует отметить, что в условиях фактического отсутствия данных по динамическим характеристикам процесса впуска, методически было целесообразно начать изучение вопроса с наиболее простого входного (до головки цилиндра) канала – прямой канал с круглым поперечным сечением, не содержащий воздушного фильтра.

Конфигурация рабочего участка впускного тракта и места установки датчиков термоанемометра для измерения скорости потока воздуха w и знаний локального коэффициента теплоотдачи a_х представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Конфигурация впускного тракта экспериментальной установки:
1 – прямолинейный участок; 2 – датчик термоанемометра для измерения скорости потока воздуха; 3 – датчик термоанемометра для определения локального коэффициента теплоотдачи; 4 – криволинейный канал в головке цилиндра; 5 – впускной клапан.

 

Полученные зависимости скорости воздуха w во впускном канале от угла поворота коленчатого вала j при разных частотах вращения коленчатого вала показаны на рисунке 2. Оказалось, что динамика (сложность вариации w) процесса впуска усложняется с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Скорость воздуха во впускном тракте нарастает по мере увеличения этой частоты и достигает приблизительно 100 м/с. Одновременно усиливается влияние пульсационных эффектов.

При максимальных оборотах (рис. 2, б) процесс впуска начинается при наличии интенсивных переходных процессов во впускном канале, что может отрицательно влиять на процесс наполнения цилиндра. Тогда как при малых оборотах (рис. 2, а) он начинается фактически с установившегося состояния. Уже после закрытия впускного клапана (завершения процесса впуска) наблюдаются сильные колебательные явления, сохраняющиеся при высоких n до самого начала процесса впуска. Примечательно, что экстремум скорости потока во впускном канале, фиксируемый дальним от входа в измерительный канал зондом, может опережать таковой от ближнего датчика, что свидетельствует о наличии возвратного течения в тракте (рис. 2, б, области А и Б).

 

а)

 

б)

Рис. 2. Зависимость скорости воздуха w во впускном канале поршневого ДВС от угла поворота коленчатого вала j при разных частотах вращения коленчатого вала: а – n=600 об/мин; б – n=3000 об/мин

1 – сигнал с первого по ходу потока термоанемометра; 2 – сигнал со второго термоанемометра.

 

Это явление объясняется тем, что двигающийся по инерции газовый поток отражается от закрытого впускного клапанного узла и начинает двигаться в обратном направлении. При этом вблизи клапана возникает область разряжения, которая заставляет поток вернуться обратно с последующим повторным отражением, и далее этот процесс движения волны происходит до тех пор, пока не будет израсходована энергия потока. Диссипативный процесс при малых оборотах коленчатого вала успевает развиться в достаточной степени, и впуск происходит практически из стационарного состояния, тогда как при высоких оборотах диссипация не успевает завершиться и вплоть до следующего такта впуска сохраняется уже упомянутый колебательный процесс. Рассматриваемый процесс аналогичен тому, что происходит и в такте выпуска, как это показано в [3].

Одним из важнейших факторов, определяющим рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания, является способность воздушного заряда обеспечивать эффективное смесеобразование, что во многом определяется величиной подогрева свежего заряда и интенсивностью турбулентных пульсаций, формирующихся еще во впускном тракте. Сведения об этом можно получить путем амплитудно-частотного анализа пульсаций скорости и локального коэффициента теплоотдачи потока во впускном канале.

На рисунке 3 представлен собственный спектр пульсаций скорости потока воздуха w во впускной системе поршневого ДВС, полученный в программе «Lgraph2» с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье.

При частоте вращения коленчатого вала 600 об/мин (рис. 3, а) в нижней части спектра явно выражены четыре кратные частоты: 6,0 Гц; 12,0 Гц; 18,0 Гц; 24,0 Гц и отсутствует в качестве значимой технологическая частота f_т – частота вращения коленчатого вала. Практически незначимы пульсации высокой частоты f>30 Гц. При наибольших оборотах коленчатого вала 3000 об/мин (рис. 3, б) проявляются в качестве основных по энергетической значимости четыре частоты: 25,0 Гц; 50,0 Гц; 75,0 Гц; 100 Гц. При этом для данной впускной системы выражены колебания частоты f_т=50 Гц и наблюдаются существенные высокочастотные колебания, простирающиеся вплоть до 160 Гц. Характерно, что максимальная спектральная плотность пульсаций сигнала имеет примерно одинаковое значение, как при наименьшей, так и при наибольшей частоте вращения коленчатого вала.

 

а)

 

б)

Рис. 3. Собственные спектры пульсаций скорости потока воздуха w во впускном канале поршневого ДВС при разных частотах вращения коленчатого вала: а – n=600 об/мин; б –n=3000 об/мин.

 

Совмещенные зависимости скорости потока воздуха w и локального коэффициента теплоотдачи от угла поворота коленчатого вала j при разных частотах его вращения n (рис. 4) свидетельствуют, что динамика изменения и сам уровень локального коэффициента теплоотдачи сильно зависят от частоты вращения коленчатого вала. Темп изменения теплоотдачи и максимальные значения a_х увеличиваются с ростом n. Наблюдается зависящее от частоты вращения запаздывание изменения интенсивности теплоотдачи от вариации скорости потока воздуха по углу на величину Dj. Так отставание по j составляет 50^о в диапазоне 600<n<1500 об/мин, тогда как при n=3000 об/мин оно уменьшается до 30^о. Это свидетельствует по-видимому, о том, что, начиная с  об/мин, в пограничном слое формируются активные турбулентные структуры, и теплообмен начинает быстрее реагировать на изменение гидродинамической ситуации.

Примечательно, что заметный подъем α_х при всех n и во всех контрольных сечениях начинается приблизительно при одном и том же угле поворота коленчатого вала (275^о<φ<280^о), и максимального значения α_х достигает также в едином диапазоне (375^о<φ<420^о). Вариации мгновенного локального коэффициента теплоотдачи практически угасают при j≈720^о при всех n, что вероятно связано с демпфирующим влиянием вязкого подслоя. Все это свидетельствует об общей закономерности изменения α_х от угла j во впускном канале ДВС при всех частотах вращения коленчатого вала.

 

а)

 

б)

Рис. 4. Зависимости скорости потока воздуха w (1) и локального (l_х=110 мм) коэффициента теплоотдачи a_х (2) от угла поворота коленчатого вала j во впускном канале поршневого ДВС при разных частотах вращения коленчатого вала: а – n=600 об/мин; б –n=3000 об/мин.

 

На рисунке 5 представлен собственный спектр пульсаций локального коэффициента теплоотдачи α_х во впускной системе поршневого ДВС. При малых оборотах коленчатого вала (рис. 5, а) четко выражены все те же, что и в спектре пульсаций w (рис. 3, а), первые четыре частоты спектра: 6,0 Гц; 12,0 Гц; 18,0 Гц; 24,0 Гц. При этом в диапазоне больше 30 Гц фактически отсутствуют значимые частоты. При максимальной частоте вращения коленчатого вала (рис. 5, б) сохраняется та же закономерность: можно выделить в качестве основных по энергетической значимости первые четыре частоты: 25,0 Гц; 50,0 Гц; 75,0 Гц; 100,0 Гц. Кроме того, для данной конфигурации впускной системы наблюдаются существенные высокочастотные колебания, но в несколько ограниченном диапазоне (до 100 Гц). Четко выражена при этом технологическая частота f_т=50 Гц.

 

а)

 

б)

Рис. 5. Собственные спектры пульсаций локального (l_х=110 мм) коэффициента теплоотдачи a_х во впускном канале поршневого ДВС при разных частотах вращения коленчатого вала: а – n=600 об/мин; б – n=3000 об/мин.

 

Для сравнения структуры спектров пульсаций w и α_х рассмотрим совмещенные амплитудно-частотные характеристики, представленные на рисунке 6. На графиках по оси ординат отложены нормированные по соответствующему максимуму амплитуды сигнала  пульсаций скорости потока воздуха и локального коэффициента теплоотдачи соответственно. Из рисунка видно, что основные частоты спектров пульсаций скорости и локального коэффициента теплоотдачи примерно совпадают при всех числах оборотов коленчатого вала, что свидетельствует об определяющем влиянии динамики движения потока на теплоперенос и отсутствии собственных колебаний в вязком подслое на стенках впускного тракта. При этом в рассматриваемой впускной системе ДВС в спектре пульсаций скорости потока воздуха наблюдаются значимые высокочастотные составляющие (f>100 Гц), указывающие на присутствие в потоке мелкомасштабных, устойчивых турбулентных структур. А известно, что на процесс смесеобразование положительное влияние оказывает направленное крупномасштабное турбулентное движение заряда, тогда как наличие мелкомасштабной турбулентности может привести к перезавихриванию заряда воздуха, ухудшающему смесеобразования.

 

а)

б)

Рис. 6. Собственные спектры пульсаций скорости потока воздуха w и локального (l_х=110 мм) коэффициента теплоотдачи a_х во впускном канале поршневого ДВС при разных частотах вращения коленчатого вала: а – n=600 об/мин; б – n=3000 об/мин.

1 – амплитудно-частотные спектры локального (l_х=110 мм) коэффициента теплоотдачи a_х; 2 – то же для скорости потока воздуха w.

 

Для того чтобы продемонстрировать существенные отличия в параметрах процесса при статической продувке и в реальном, пульсирующем режиме в поршневых ДВС, рассмотрим зависимость локального мгновенного коэффициента теплоотдачи a_х от скорости потока воздуха w при разных условиях проведения экспериментов (рис. 7). Опыты показали, что при одной и той же скорости потока (заряда) существует значительная разница в значениях локального коэффициента теплоотдачи α_х в статическом и динамическом режимах движения потока. Установлено, что для впускного тракта ДВС нестационарность приводит к сильному снижению теплоотдачи, которое может достигать в сравнение со стационарным течением 2,5 раз.

 

Рис. 7. Зависимость локального (l_х=110 мм) коэффициента теплоотдачи a_х от скорости потока воздуха w: 1 – n=600 об/мин; 2 – n=1500 об/мин;  3 – n=3000 об/мин.

 - - - - стационарный поток; ¾¾ пульсирующий поток

 

Таким образом, можно сделать вывод, что для корректных расчетов процесса впуска следует использовать результаты нестационарных опытов и только специальные эмпирические уравнения, описывающие всю динамику этих процессов в ДВС.

 

Литература

 

1. Вихерт М.М. Конструирование впускных систем быстроходных дизелей / М.М. Вихерт, Ю.Г. Грудский – М.: Машиностроение, 1982. – 151 с., ил.

2. Драганов Б.Х. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания / Б.Х. Драганов, М.Г. Круглов, В.С. Обухова – Киев: Вища шк. Головное изд-во, 1987. – 175 с.

3. Луканин В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учеб. / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; [под ред. В.Н. Луканина]. – М.: Высш. шк., 1995. – 368 с.: ил.

4. Янович Ю.В. Анализ способов вихреобразования во впускной системе автомобильных двигателей с распределенным впрыском бензина / Ю.В. Янович, В.Г. Войтка // Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: Материалы VII Междунар. науч. – практ. семинара. – Владимир, 1999. – С.28-31.

 

Поступила в редакцию 12.01.2009 г.