Газодинамика и теплообмен во впускном трубопроводе при наддуве поршневого ДВС

Шестаков, Дмитрий Сергеевич

Газодинамика и теплообмен во впускном трубопроводе при наддуве поршневого ДВС тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Шестаков, Дмитрий Сергеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Екатеринбург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Газодинамика и теплообмен во впускном трубопроводе при наддуве поршневого ДВС»

Автореферат диссертации на тему "Газодинамика и теплообмен во впускном трубопроводе при наддуве поршневого ДВС"

На правах рукописи

005044548

ШЕСТАКОВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ГАЗОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН ВО ВПУСКНОМ ТРУБОПРОВОДЕ ПРИ НАДДУВЕ ПОРШНЕВОГО ДВС

Специальности: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника; 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2012

Екатеринбург - 2012

005044548

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» на кафедрах «Теоретическая теплотехника» и «Турбины и двигатели»

Научный руководитель: доктор физико - математических наук,

профессор Жилкин Борис Прокопьевич Научный консультант: доцент, кандидат технических наук

Плотников Леонид Валерьевич Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук,

Защита диссертации состоится 29 мая 2012 года в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212.285.07 при ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ) по адресу: г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5 (8-й учебный корпус УрФУ), ауд. Т-703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УрФУ.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ФГАОУ ВПО «УрФУ», ученому секретарю совета университета.

Автореферат разослан 27 апреля 2012 года.

Тел. (343) 375-45-74, (343) 375-48-51, факс.: (343) 375-94-62.

e-mail: d21228507@gmail.com, dima-shestakov83@mail.ru. Ученый секретарь

профессор Буланов Николай Владимирович; заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Шароглазов Борис Александрович

Ведущая организация: ОАО «Специальное конструкторское бюро

турбонагнетателей», г. Пенза

диссертационного совета

Аронсон К. Э.

Актуальность работы

Эффективность работы двигателей внутреннего сгорания с наддувом в значительной степени зависит от совершенства процессов, протекающих в их газовоздушных трактах, в частности во впускном трубопроводе. Динамика входящего потока воздуха в поршневом ДВС с наддувом оказывает влияние на состав смеси и далее на весь рабочий процесс двигателя. Имеющиеся во впускном трубопроводе колебания потока воздуха могут вызвать разность рабочего процесса по расходу воздуха в многоцилиндровом двигателе. Кроме того, экспериментальные исследования показывают влияния колебания давления во впускном трубопроводе на уменьшение КПД центробежного компрессора. Сведений о динамике протеканий процесса впуска в поршневом ДВС с над дувом чрезвычайно мало.

Целью работы является установление закономерностей изменения газодинамических и тепловых характеристик потока во впускном трубопроводе в процессе наполнения цилиндра свежим зарядом при наддуве поршневого ДВС от геометрических и режимных факторов.

Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:

- установлены зависимости мгновенных скорости, давления и локального коэффициента теплоотдачи потока во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом от угла поворота коленчатого вала при разных режимах работы двигателя и турбокомпрессора, в том числе при разных долях сброса сжатого воздуха;

- выявлены существенные отличия газодинамических и теплообмен-ных характеристик потока во впускном тракте поршневого ДВС с наддувом от такового без над дува;

- получены амплитудно-частотные характеристики пульсаций скорости, давления и локального коэффициента теплоотдачи в потоке во

впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом, в том числе при разных долях сброса сжатого воздуха;

- определены закономерности изменения скорости, давления и мгновенного локального коэффициента теплоотдачи на начальном участке трубопровода после компрессора свободного турбокомпрессора при различных продольных профилях данного участка;

- обобщены в виде эмпирических уравнений экспериментальные данные по мгновенной локальной теплоотдаче пульсирующего потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом;

- предложен дополнительный способ согласования характеристик двигателя и турбокомпрессора путем изменения геометрии начального участка впускного трубопровода;

- разработан и исследован эффективный способ уменьшения пульсаций давления и скорости потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом, а также метод снижения локального коэффициента теплоотдачи. Показано, что дозированный сброс нагнетаемого воздуха из впускного трубопровода снижает пульсации давления в нем на 30 %.

Достоверность результатов основывается на надежности экспериментальных данных, обусловленной тем, что они получены сочетанием независимых методик исследования и подтверждены воспроизводимостью результатов опытов, хорошо согласуются на уровне тестовых опытов с данными других авторов, а также применением комплекса современных методов исследования, тщательным подбором измерительной аппаратуры, ее систематической проверкой и тарировкой.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные расширяют теоретические представления о газодинамике и локальной теплоотдаче потока воздуха в процессе впуска в поршневых ДВС с наддувом и создают основу для разработки инженерных методик расчета и проектирования впускных систем двигателей с наддувом. Разработаны эф-

фективные методы повышения качества процесса впуска и их конструктивного оформления, что может привести к улучшению технико - экономических показателей ДВС. Отдельные результаты работы приняты к реализации на ООО «Уральский дизель-моторный завод» при проектировании и модернизации двигателей 6ДМ-21Л, 8ДМ-21Л, 8ДМ-21ЭЛ, 12ДМ-21Л.

Автор защищает:

- экспериментальные данные по газодинамике и мгновенному локальному коэффициенту теплоотдачи во впускном трубопроводе при наддуве ДВС;

- результаты обобщения данных по мгновенному локальному коэффициенту теплоотдачи потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом с учетом доли сброса;

- способ согласования расходных характеристик турбокомпрессора и двигателя;

- способ гашения пульсаций потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом.

Личный вклад автора состоит в том, что им на основе анализа литературных источников поставлены задачи исследования, разработаны методики проведения опытов, спроектированы и отлажены экспериментальные установки, проведены опыты, обработаны, проанализированы и обобщены полученные экспериментальные данные. Автором предложен способ уменьшения пульсаций давления и скорости потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались и были представлены на межрегиональной научно-технической конференции в Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище (г. Челябинск, 2010); научных семинарах кафедр «Теоретическая теплотехника» и «Турбины и

двигатели» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2009 - 2012); научно-техническом семинаре при ООО «Уральский дизель - моторный завод» (г. Екатеринбург, 2012); всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2011); техническом семинаре при ООО «Газпромтранс» Астраханский филиал (г. Астрахань, 2012); научно-техническом семинаре (г. Челябинск, ЮУрГУ, 2012).

Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных' ВАК. Получено положительное решение по заявке на патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 113 наименований, и 4 приложений. Она изложена на 129 страницах компьютерного набора в программе MS Word и снабжена по тексту 65 рисунками и 2 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность результатов работы, дана её общая характеристика и изложено краткое содержание.

В первой главе приведен обзор литературных источников, посвященных проблемам исследования газодинамики и теплообмена процессов впуска в ДВС, в том числе с наддувом. Рассматриваются известные методы исследования. Представлены основные результаты, полученные различными исследователями по закономерностям газодинамики и теплообмена потока воздуха во впускном трубопроводе ДВС с наддувом и без него.

На основе выполненного автором анализа литературных данных сформулированы следующие основные задачи исследования:

1) установить зависимости мгновенных скорости, давления и локального коэффициента теплоотдачи потока во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом от угла поворота коленчатого вала при разных режимах работы двигателя и турбокомпрессора, в том числе при разных долях сброса сжатого воздуха;

2) получить амплитудно-частотные характеристики пульсаций скорости, давления и локального коэффициента теплоотдачи, возникающие в потоке во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом;

3) выявить отличия газодинамических и теплообменных характеристик потока во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом от таковых без наддува;

4) определить закономерности изменения скорости, давления и мгновенного локального коэффициента теплоотдачи на начальном участке трубопровода после компрессора свободного турбокомпрессора при различных продольных профилях данного участка трубопровода;

5) предложить способ согласования расходных характеристик двигателя и турбокомпрессора;

6) разработать и исследовать способ уменьшения пульсаций потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом.

7) обобщить в виде эмпирических уравнений экспериментальные данные по мгновенной локальной теплоотдаче пульсирующего потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом, в том числе по с учетом результатов по пункту 6.

Во второй главе приводится описание экспериментальных установок и методик исследований.

Для исследования газодинамики и теплообмена процессов впуска при наддуве поршневого двигателя внутреннего сгорания спроектирована

и изготовлена экспериментальная установка (рис. 1). Установка представляет собой натурную модель одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с наддувом размерности 8,2/7,1, коленчатый вал которой приводится во вращение асинхронным двигателем, частота вращения которого регулируется преобразователем частоты Altivar 31 фирмы Shneider Electric в диапазоне до 3000 об/мин с точностью +0,1 %. Фазы газораспределения

1 - агрегат маслозакачивающий; 2 - бак масляный; 3 - турбокомпрессор; 4 - регулировочный вентиль; 5 - входной участок трубопровода; 6 -измерительный канал; 7 - поршневая часть

Наддув осуществляется турбокомпрессором размерности ТКР6, турбина которого приводится во вращение сжатым воздухом из магистрали. Турбокомпрессор имеет автономную систему смазки.

Сжатый в компрессоре турбокомпрессора воздух выходит во впускной трубопровод 5 круглого сечения, в котором имеется регулировочный вентиль 4 для выпуска части воздуха. Далее следует измерительный канал длиной 250 мм и внутренним диаметром 32 мм. В нем имеются отверстия для установки датчиков скорости и теплоотдачи, а также бонка для монтажа датчика давления наддува. Измерительный канал присоединяется к вспомогательной трубе того же диаметра, закрепленной на головке поршневой части.

Для проведения исследований на базе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) фирмы L-Card модели £14-140 создана автоматизированная система сбора данных, передающая информацию в персональный компьютер. В ней для определения средней по сечению скорости потока воздуха w и локального коэффициента теплоотдачи ах использовался термоанемометр постоянной температуры оригинальной конструкции, содержащей 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, тогда как при определении ах применялся датчик с нитью, лежащей на фторопластовой подложке, он монтировался заподлицо со стенкой впускного трубопровода. Систематическая ошибка измерения w составляла 5,4 %, а локального коэффициента теплоотдачи - 10 Замер частоты вращения и индикация прохождения поршнем ВМТ и НМТ производились тахометром, состоящим из закрепленного на валу зубчатого диска и индуктивного датчика, закрепленного на опорной плите. Для измерения частоты вращения ротора турбокомпрессора использовался цифровой бесконтактный тахометр. Для измерения непрерывного давления наддува использовался цифровой датчик давления фирмы PROSOFT SYSTEMS модели S-10 с диапазоном показаний до 2,5 бар, погрешностью

0,5 %. Сигналы со всех датчиков поступают в АЦП, который преобразовывает аналоговую информацию (напряжение) в цифровой код. Далее сигнал передается в компьютер, где обрабатывается в программе Ь^гарк 2.0.

В третьей главе рассматриваются газодинамические, теплообмен-ные и расходные характеристики потока на начальном участке впускного трубопровода после компрессора турбокомпрессора и во впускном трубопроводе в целом поршневого ДВС с наддувом.

Вначале обосновывается методическая целесообразность рассмотрения при анализе гидравлической характеристики системы впуска поршневого ДВС с наддувом в виде двух составных элементов: турбокомпрессора и присоединенной сети, состоящей в свою очередь из впускного трубопровода и двигателя. Тогда корректировку характеристики сети можно производить, в частности, путем изменения продольного профилирования сечения впускного трубопровода.

Одним из основных технологических показателей турбокомпрессора является массовый расход воздуха. Как известно, изменение расхода воздуха через ТК - эффективный способ согласования режимов работы двигателя и турбокомпрессора. При этом двигатель и ТК подбираются таким образом, чтобы оптимальные их технико-экономические характеристики достигались только в узком диапазоне работы энергоустановки.

Для того чтобы разработать меры корректировки расходных характеристик двигателя и турбокомпрессора, проведено исследование газодинамики потока воздуха в коротком канале за компрессором турбокомпрессора со свободным выпуском, то есть турбокомпрессора как такового без влияния поршневой части 7.

В результате проведенных испытаний установлено, что размещение во впускном трубопроводе за компрессором конфузора (со степенью сужения 1,45) приводит к снижению расхода воздуха в среднем на 10 %, а при дополнительной установке диафрагмы - уже на 50 % по сравнению со сво-

бодным сечением на выходе из компрессора. На этом основании следует полагать, что размещение во впускном канале поршневого ДВС вставки с автоматически регулируемой конфигурацией, например, диафрагмы с изменяемым поперечным сечением (лепестковой диафрагмы) позволит расширить диапазон эффективной работы двигателя с наддувом и получить дополнительную возможность согласования характеристик двигателя и турбокомпрессора.

Дополнительная информация о природе турбулентных пульсаций и механизме подогрева свежего заряда во впускном трубопроводе после компрессора турбокомпрессора получена путем амплитудно-частотного анализа пульсаций скорости и локального коэффициента теплоотдачи. На рис. 2 представлены собственные спектры пульсаций давления потока воздуха в коротком впускном трубопроводе после компрессора, полученные по программе 1^арИ2 с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье. Полученные спектры свидетельствуют об образовании уже в проточной части компрессора вихревых структур.

ПтМбООО о5/пин

]

АР

Рис. 2. Амплитудно-частотные спектры пульсации давления Ар при различной частоте вращения ротора птк свободного турбокомпрессора в коротком трубопроводе с конфузорным сечением

Перед экспериментальным исследованием процессов в полной впускной системе в целях установления характера и диапазона изменения контрольных величин во впускном трубопроводе установки проведено численное моделирование с помощью программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК.

Контрольные расчеты показали, что при применении наддува происходит увеличение скорости потока в трубопроводе а также смещение ее пика по углу поворота коленчатого вала. Момент достижения максимального значения и- наступает раньше на величину до 100 градусов ПКВ. Кроме того, на средних и высоких режимах отсутствует характерная зона перегибов на участке ускорения потока, а протяженность плато максимальной величины скорости в 2-3 раза короче. Все это, по видимому, связано с газодинамическим напорным воздействием компрессора.

Проведенные эксперименты подтвердили известные закономерности: с увеличением частоты вращения ротора турбокомпрессора при данной частоте вращения поршневой части среднее давление наддува возрастает; с увеличением частоты вращения поршневой части при данной частоте вращения ротора турбокомпрессора давление и скорость потока становятся больше. Вместе с тем обнаружено, что пик максимума скорости при этом смещается вправо по углу поворота коленчатого вала на величину до 50°, а скачки давления усиливаются (рис. 3). При нарастании частоты вращения ротора турбокомпрессора происходит уменьшение пульсаций скорости, и аналогично с увеличением частоты поршневой части пульсационные эффекты также сглаживаются, тогда как в безнаддувной установке с увеличением частоты поршневой части пульсационные эффекты, напротив, увеличивались. Оказалось, что при низких частотах вращения (600 об/мин) существует небольшой провал скорости в районе НМТ перед участком начала ускорения потока.

С увеличением частоты вращения ротора турбокомпрессора происходит усиление пульсационных эффектов по скорости и давлению, тогда как с увеличением частоты поршневой части пульсационные эффекты сглаживаются. При всех частотах вращения двигателя в период от 180 до 360 градусов ПКВ (после момента открытия впускного клапана до его закрытия) пульсации давления значительно уменьшаются по сравнению с остальным периодом работы двигателя.

нмт

открытие впускного шпана

закрытие впускного клапана

Рис. 3. Зависимость давления р и скорости потока воздуха м> во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом от угла поворота коленчатого вала <р при иГА—42000 об/мин при различных частотах вращения ротора: а - и=600 об/мин; 6 — п=1500 об/мин

Пульсационные явления, наблюдаемые на всех режимах, особенно проявляющиеся при низких и средних частотах вращения поршневой части, приводят к уменьшению наполнения цилиндра воздухом, к неидентичному наполнению цилиндров в многоцилиндровом дизеле, увеличивают уровень шума и уменьшают моторесурс двигателя в целом. Следовательно, необходимо решать проблему их гашения какими-либо конструктивными способами.

В четвертой главе представлены результаты изучения мгновенной локальной теплоотдачи во впускном трубопроводе при наддуве поршневого двигателя внутреннего сгорания в условиях гидродинамической нестационарности (ускорение и замедление потока воздуха).

В коротком круглом трубопроводе после свободного компрессора турбокомпрессора с уменьшением сечения канала на одинаковых режимах работы ТК амплитуда колебаний локального коэффициента теплоотдачи ах уменьшается (рис. 4): так, при использовании диафрагмы на высоких режимах она уменьшилась в 2,5 раза. В то же время при одинаковых сечениях с увеличением частоты вращения ротора амплитуда колебаний локального коэффициента теплоотдачи также уменьшается (при использовании той же диафрагмы она снижается в 2,5 раза).

Было установлено, что во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом в отличие от безнаддувного даже при низкой частоте вращения ротора ТК (рис. 5) возрастают как максимальные значения ах в период между открытием впускного клапана (с 95 до 180 Вт/(м2-К) при п=1500 об/мин и с 120 до 245 Вт/(м2-К) при п=3000 об/мин), так и средние до открытия (с 45 до 60 Вт/(м2-К) при п=1500 об/мин и с 50 до 100 Вт/(м2-К) при п=3000 об/мин) и после закрытия впускного клапана. При наддуве пик максимума теплоотдачи наступает раньше на угол Дф =100° при п=1500 об/мин и уменьшается до угла Дер =40° при п=3000 об/мин.

Интенсивность колебаний локального коэффициента теплоотдачи уменьшается с увеличением частоты вращения ротора турбокомпрессора. При этом с увеличением частоты вращения коленвала локальный коэффициент теплоотдачи возрастает. Такая же тенденция наблюдается и в безнаддувных двигателях, но там ах имеет меньшие значения: при итк=42000 об/мин локальный коэффициент теплоотдачи ниже примерно на 50 Вт/(м2К).

г--------

Рис. 4. Зависимость локального коэффициента теплоотдачи а* (расстояние от выходного патрубка /х=150 мм) и скорости потока воздуха ы от времени г в трубопроводе после компрессора свободного турбокомпрессора при пТк=42000 об/мин: а) в сечении с конфузором; б) в сечении с конфузором и диафрагмой

Было выявлено, что с увеличением частоты вращения коленвала пик максимума локального коэффициента теплоотдачи смещается вправо по углу поворота коленчатого вала.

С ростом частоты вращения ротора ТК при данной частоте вращения коленчатого вала средний по углу <р локальный коэффициент теплоотдачи возрастает, но мгновенный максимум ах его при этом уменьшается до 50 %.

Рис. 5. Зависимость локального коэффициента теплоотдачи ах (4 =150 мм) от угла поворота коленчатого вала <р во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом (игя= 35000 об/мин) и без наддува при л=1500 об/мин

При этом заметное изменение ах при всех п начинается во всех случаях с угла поворота коленчатого вала ф> 190°, а максимального значения ах достигает также в одном периоде 270°<^><320, что значительно отличается от двигателя без наддува, у которого максимум «х лежит в пределах 375°<^<420°. Изменение локального коэффициента теплоотдачи становится менее выраженным при ^»=400° при всех частотах вращения коленчатого вала. Таким образом, существует общая закономерность изменения ах во впускном трубопроводе ДВС с наддувом при всех частотах вращения коленчатого вала.

В пятой главе рассматривается разработанный на основе результатов исследования метод гашения пульсаций потока во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом.

Анализ результатов проведенных исследований позволил сделать вывод о том, что причиной интенсивных пульсаций потока может служить избыточная по отношению к двигателю производительность на некоторых режимах.

Стабилизация потока воздуха во впускном трубопроводе (снижения пульсаций скорости и давления) может быть достигнута сбросом определенной доли воздуха из впускного трубопровода, для чего был использован регулировочный вентиль 4 (см. рис. 1).

Для обобщения результатов исследования количество выпускаемого воздуха при различных режимах будем выражать не через конструктивный параметр (относительное раскрытие клапана), а через физический - через относительный сброс:

Qs^ _ ^вып _ ^вып

^пол ^вып ^двиг

где С1ЮЛ - расход воздуха, сжатого в компрессоре;

(тцып - средний расход воздуха, выпускаемого через клапан; Од»«г -расход воздуха, попавшего в двигатель.

Было установлено, что при дозированном сбросе пульсации давления и скорости значительно уменьшаются (рис. 6).

Так, при определенной доле сброса на частоте вращения ротора пте=42000 об/мин при п=600 об/мин и п=1500 об/мин (см. рис. 6 а, б) амплитуда пульсаций давления уменьшается в 3 с лишним раза, а при п=3000 об/мин до момента открытия впускного клапана - в 4 с лишним раз.

Следует отметить, что при низких частотах вращения ротора ТК Птк=35000 об/мин и п=600 об/мин имеется падение среднего давления в трубопроводе, оно невелико и составляет 2-3 кПа, то есть 1,6 %. Вместе с тем при сбросе общий расход воздуха через компрессор повышается (будет показано далее), а частота вращения ротора остается неизменной, поэтому можно утверждать, что на характеристике компрессора рабочая точка движется по нисходящей ветви вправо, удаляясь от границы помпа-жа. На средних и высоких частотах вращения ротора ТК среднее значение давления не изменилось (см. рис. 6), то есть на характеристике компрессора режим прошел по прямой части ветви. Таким образом небольшое снижение давления на малых оборотах при сбросе воздуха вызвано лишь особенностями профилирования проточной части данного компрессора и не влияет на общую картину.

ш................ рткрытие впускного клапана _ _

кПт- — —--------сдвоса - г--------,---------г--------------

I КО

1 _. , №Г .г - ад -----яолтчтажь

Р 100 90

о'

нмт

.. 135 -кПа а125 ,

" - 7 - -СОсброс ОМ.-----

115 ; 105 р 95

180° ВМТ

360" НМТ

5(0 ВМТ

720с нмт

<р

ОШЫТИЕВПУСМОГО КЛАПАНА —'---------5вз сброса-';

закрытие впускного клапана.

Рис. 6. Сравнение зависимостей давлений потока воздуха р от угла ср во впускном трубопроводе (1Х =150 мм) поршневого ДВС с наддувом без сброса (0=0) и со сбросом при птк=42000 об/мин (оси смещены): а) - п=600 об/мин; С=0,3; б) -п=1500 об/мин; С=0,2

При дозированном сбросе изменяются также и значения локального коэффициента теплоотдачи (рис. 7). При высоких оборотах коленчатого вала (птк=35000 об/мин и п=3000 об/мин) и открытом клапане снижение теплоотдачи может достигать 38 %, что, по видимому, связано с резким

снижением интенсивности турбулентных пульсаций в системе впуска.

. открытие впускного клапана закрытие впускного клапана

250,-Г , ----„■--;-------

1 ~ коэффициент теплоотла чит ......

i ® - со сбросом■—-г--г- — 4^'/- + v/-—г - -скорость без сброса

во

Г '/-'/! 1 /1 ' Ч /-ч

И- ----А^Ьэс

180' 360° НО' 720°

вмт нмт вмт нмт

Рис. 7. Сравнение зависимостей скорости потока воздуха у? й локального коэффициента теплоотдачи ах (4=150 мм) от угла <р во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом при закрытом (в*=0) и открытом (С*=0,12) клапане при птк=35000 об/мин и п=3000 об/мин

Сравнивая закономерности изменения скорости потока воздуха и локального коэффициента теплоотдачи, можно сделать следующие выводы. Величина скорости потока при регламентированном сбросе воздуха меняется незначительно. Так, при Птк=35000 об/мин и п=600 об/мин максимальная величина скорости потока снизилась примерно на 6 %, тогда как амплитуда колебаний скорости упала в 5 раз.

Следует подчеркнуть, что регламентированный выпуск сжатого воздуха после компрессора не приводит к существенному изменению массового расхода через двигатель. Это вызвано тем, что средняя скорость потока воздуха во впускном тракте (после регулируемого клапана) не изме-

нилась. Небольшие отклонения расхода Сдвиг при подобранных долях сброса находятся в пределах погрешности датчика.

Таким образом, было установлено, что при сбросе из впускного трубопровода определенной части сжатого в компрессоре воздуха происходит снижение пульсаций скорости и давления потока, а также уменьшение локального коэффициента теплоотдачи при сохранении массового расхода воздуха, поступающего в двигатель. Были составлены режимные карты, позволяющие определить оптимальную величину в в зависимости от п и пгк (рис. 8).

20 - - --------- ™

о.

16 К 12 8 6

О 02 ОЛ с 0.6

Рис. 8. Зависимости отклонений пульсаций скорости, давления и локального коэффициента теплоотдачи от относительного сброса при частоте вращения ротора ТК 46000 об/мин (области оптимальных режимов выделены штриховкой):

- 600 об/мин;----1500 об/мин;-----3000 об/мин

В результате аппроксимации экспериментальных данных, проведенной методом наименьших квадратов, получены уравнения для расчета мгновенного локального коэффициента теплоотдачи и давления потока

воздуха с погрешностью 8 %. Для определения распределения ах по длине впускного трубопровода была использована специальная методика тепло-визионной диагностики. При этом, для того, чтобы получить более простое расчетное уравнение, зависимость ах - f(cp) была разбита на два участка - подъема (150°<$9<290о) и спада (290°<^К440°). Предлагаемые уравнения размерные, поскольку режим течения определяется частотами вращения коленчатого вала п и ротора турбокомпрессора птк, а рабочей средой является исключительно воздух как обычный окислитель для сжигания топлива.

Расчетное уравнение для вычисления ах, Вт/(м2-К), во впускном трубопроводе двигателя размерностью 8,2/7,1 с наддувом турбокомпрессором ТКР6 имеет следующий вид:

- для стадии подъема (150°<<р<290о)

а'х = 0,25 • 710 06 • n?K0ä - (lglxys ■ ОV - И5)0'65 ■ (1 + 0,08 • (Т - 273)) • К-,

- для стадии спада (290°<^<440о)

а? = 12,5 • П0'2 • п£15 • (lglx)°3 ■ (<р - 115)-1'41 • 10 ■ (Т - 273) • К, где п - частота вращения коленчатого вала, об/мин (600<«<3000);

птк - частота вращения ротора турбокомпрессора, об/мин (35000<и<50000);

<р- угол поворота коленчатого вала, град (150°<р<290о);

Т— температура окружающей среды, К (233<Г<313);

1Х - расстояние от входа в канал до расчетного сечения, мм (1</,<250);

К— поправочный коэффициент, зависящий от доли сброса воздуха.

Для реализации метода регулирования процесса впуска ДВС с наддувом предложено использовать электромагнитный клапан. Разработан алгоритм автоматического управления этим клапаном. Выполнена конструктивная проработка установки клапана на дизеле 8ДМ-21 JIM.

Основные результаты работы

Разработаны методики, спроектирована, изготовлена и отлажена экспериментальная установка для исследования газодинамики и теплообмена во впускном трубопроводе в поршневом ДВС с наддувом, оснащенная системой измерений, в состав которой входят термоанемометр, датчики давления, скорости, локального коэффициента теплоотдачи, частоты вращения коленвала и ротора ТК, а также система сбора данных. Проведенный на установке и дополнительных стендах комплекс исследований позволил получить нижеследующие основные результаты.

1. Установлены зависимости мгновенных скорости, давления и локального коэффициента теплоотдачи во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом от угла поворота коленчатого вала при разных режимах работы двигателя и турбокомпрессора, в том числе при разных долях сброса нагнетаемого воздуха.

2. Получены амплитудно-частотные характеристики пульсаций скорости, давления и локального коэффициента теплоотдачи в потоке во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом, в том числе при разных долях сброса сжатого компрессором воздуха.

3. Выявлены существенные отличия газодинамических и теплооб-менных характеристик потока во впускном тракте поршневого ДВС с наддувом в сравнении с таковыми для поршневого ДВС без наддува.

4. Определены закономерности изменения скорости, давления и мгновенного локального коэффициента теплоотдачи на коротком участке трубопровода после компрессора свободного турбокомпрессора при различных продольных профилях данного канала.

5. Предложен способ согласования характеристик двигателя и турбокомпрессора путем изменения геометрии участка трубопровода сразу после ТК.

6. Обобщены в виде эмпирических уравнений экспериментальные данные по мгновенной локальной теплоотдаче пульсирующего потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом.

7. Разработан и исследован эффективный способ уменьшения пульсаций давления и скорости потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом, а также способ снижения локального коэффициента теплоотдачи, что позволит уменьшить различия в работе цилиндров многоцилиндрового дизеля, снизить уровень шума, повысить моторесурс двигателя в целом, а также увеличить КПД компрессора.

8. Предложенные в работе решения по установке электромагнитного клапана приняты к реализации на ООО « Уральский дизель-моторный завод» при модернизации двигателей 6ДМ-21Л, 8ДМ-21ЛМ и 8ДМ-21ЭЛМ и дизель - генераторов на их основе.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Жилкин Б. П. О необходимости исследования процессов впуска и выпуска в ПДВС в динамике / Б. П. Жилкин, Д. С. Шестаков, Л. В. Плотников // Вестник Академии военных наук. - 2010. - №1. - С. 54-57.

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. Повышение энергоэффективности поршневых ДВС за счет совершенствования их рабочего процесса / Б. П. Жилкин, Д. С. Шестаков, Л. В. Плотников // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-

практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых, 13-16 декабря 2011 г. - Екатеринбург; УрФУ, - С. 268-270.

4. Жилкин Б. П. Определение и корректировка на стенде характеристик компрессора ТК для наддува ПДВС/ Б. П. Жилкин, Д. С. Шестаков, Л. В. Плотников // Турбины и дизели. 2012. Март - апрель. - С. 32-35.

5. Пат. 81263 Ш, МПК Р02В29/02. Впускная система поршневого двигателя с наддувом / Жилкин Б. П., Плотников Л. В., Шестаков Д. С. -заявка № 2012105249Ьт 14.02.2012.

Подписано в печать Бумага типографская Уч.-изд. л. 1,0

Плоская печать. Тираж 100 экз.

Ризо1рафия НИЧ УрФУ

Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,34 Заказ 1Т-&

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Шестаков, Дмитрий Сергеевич, Екатеринбург

61 12-5/3335

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГАОУ ВПО "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Кафедра "Турбины и двигатели"

На правах рукописи

ШЕСТАКОВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ГАЗОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН ВО ВПУСКНОМ ТРУБОПРОВОДЕ ПРИ НАДДУВЕ ПОРШНЕВОГО ДВС

Специальности: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника; 05.04.02 - Тепловые двигатели

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Жилкин Б.П. Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Плотников Л. В.

Екатеринбург - 2012

Содержание

Реферат.................................................................................................................4

Перечень основных обозначений и сокращений.............................................5

Введение..............................................................................................................7

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ..........12

1.1 Газодинамика течения во впускных каналах поршневого ДВС.........13

1.2 Пульсации потока воздуха, генерируемые компрессором турбокомпрессора..............................................................................................................22

1.3 Характеристики теплообменных процессов во впускной системе при наддуве поршневого ДВС...........................^...................................................24

1.4 Выводы и постановка задач исследования..............................................28

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ......................................................................30

2.1 Конструктивное исполнение натурной модели поршневого ДВС с наддувом...........................................................................................................................30

2.2 Измерение угла поворота и частоты вращения коленчатого вала и ротора турбокомпрессора........................................................................................39

2.3 Определение мгновенного расхода всасываемого воздуха...................42

2.4 Измерение мгновенных коэффициентов теплоотдачи........................... 50

2.5 Замер давления наддува.............................................................................55

2.6 Система сбора данных...............................................................................55

ГЛАВА 3 ГАЗОДИНАМИКА И РАСХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПРОЦЕССА ВПУСКА.....................................................................................58

3.1 Газодинамические характеристики компрессора турбокомпрессора для наддува ДВС......................................................................................................58

3.2 Математическое моделирование процесса впуска при наддуве поршневого две...........................................................................................................69

3.3 Газодинамические характеристики потока во впускном трубопроводе при наддуве ........................................................................................................................74

ГЛАВА 4 МГНОВЕННАЯ ТЕПЛООТДАЧА ВО ВПУСКНОМ КАНАЛЕ ПРИ НАДДУВЕ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ....................................................................................................................83

4.1 Теплоотдача в трубопроводе за свободным компрессором..................83

4.2 Теплоотдача во впускном трубопроводе при наддуве поршневого

две....................................................................................................................88

ГЛАВА 5 СТАБИЛИЗАЦИЯ ТЕЧЕНИЯ ВО ВПУСКНОМ КАНАЛЕ ПРИ НАДДУВЕ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ....................................................................................................................95

5.1 Метод гашения пульсаций потока во впускном канале поршневого ДВС с наддувом................................................................................................95

5.2 Конструктивное и технологическое исполнение..................................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ................

114 117 130

Реферат

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 113 наименований, и 4 приложений. Она изложена на 129 страницах компьютерного набора в программе MS Word и снабжена по тексту 65 рисунками и 2 таблицами.

Ключевые слова: ГАЗОДИНАМИКА, ПОРШНЕВОЙ ДВС С НАДДУВОМ, ВПУСКНАЯ СИСТЕМА, ТУРБОКОМПРЕССОР, РАСХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, МГНОВЕННЫЙ ЛОКАЛЬНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ, ДОЛЯ СБРОСА.

Объектом исследования являлось нестационарный воздушный поток во впускном трубопроводе поршневого двигателя внутреннего сгорания с наддувом.

Цель работы - определение закономерностей изменения газодинамических и тепловых характеристик процесса впуска в поршневом ДВС с наддувом от технологических и режимных факторов.

Установлены зависимости изменения скорости, давления воздуха и локального коэффициента теплоотдачи во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом, а также за компрессором свободного турбокомпрессора.

Показано, что путем сброса части сжатого компрессором турбокомпрессора воздуха из впускного трубопровода поршневого ДВС с наддувом можно уменьшить пульсации давления и скорости потока воздуха и локального коэффициента теплоотдачи.

Перечень основных обозначений и сокращений

м? - скорость потока воздуха, м/с; р - давление потока воздуха, кПа; а - коэффициент теплоотдачи,

Вт/м-К;

п - частота вращения коленчатого вала, об/мин; птк- частота вращения ротора турбокомпрессора, об/мин; <Л -диаметр труб, мм; / - сила тока, А;

Сг - массовый расход воздуха, кг/с; Ь - длина, м;

/ - характерный линейный размер, м;

Я - сопротивление, Ом;

Т- абсолютная температура, К;

t - температура по шкале Цельсия, °С;

и - напряжение, В;

V- объемный расход воздуха, м/с;

у - угол, град.;

(р - угол поворота коленчатого вала, град; Я - постоянная кривошипного механизма; V- коэффициент кинематической вязкости, м/с; р - плотность, кг/м3; т- время, с;

¡д- коэффициент сопротивления; 8 - относительное раскрытие клапана; С - доля сброса

Основные сокращения

ПКВ - поворот коленчатого вала;

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ТК - турбокомпрессор;

ВМТ - верхняя мертвая точка;

НМТ - нижняя мертва точка

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

БПФ - быстрое преобразование Фурье.

Числа подобия

Ке=м>с1/у- число Рейнольдса; N11=ой/Я - число Нуссельта.

Введение

Наддув поршневого ДВС — эффективное средство улучшения его экологических и моторных показателей [1,2]. Среди транспортных средств наибольшее распространение газотурбинный наддув получил на двигателях грузовых автомобилей. По другому обстоит дело в области легковых автомобилей. Здесь ни одна из известных систем наддува не находит преимущественного применения. Механические системы наддува, а также системы наддува с волновым обменником давления типа «Сотргех» обеспечивают требуемое повышение крутящего момента двигателя, пологость его кривой и значительное улучшение динамичности езды, однако это связано с уменьшением эффективного КПД двигателя по сравнению с двигателем той же мощности без наддува [3,4].

Эффективность работы двигателей внутреннего сгорания с наддувом в значительной степени зависит от совершенства процессов, протекающих в их газовоздушных трактах, и, прежде всего во впускных и выпускных каналах. Характерными особенностями исследуемых процессов впуска являются их высокая динамика и периодичность, обусловленная широким диапазоном изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя и нарушением гармоничности этой периодики, связанное с неравномерностью движения поршня и изменением конфигурации впускного тракта в зоне клапанного узла. Последние два фактора взаимосвязаны с действием механизма газораспределения. Воспроизвести такие условия с достаточной точностью можно с помощью натурной модели или непосредственно на двигателе. Использование второго варианта связано с увеличением трудоемкости и времени исследования.

У четырехтактного ДВС с наддувом подачу воздуха в цилиндр осуществляют через впускную систему, состоящую из проточной части компрессора, впускного трубопровода, канала в головке цилиндра и клапана.

Эти элементы системы впуска, которые должны быть согласованы, наряду с характеристиками подъема клапана и фазами газораспределения влияют на качество наполнения цилиндра своими размерами и конфигурацией. Скорость движения потока воздуха через впускной канал должна быть оптимальной во всем диапазоне частот вращения. Его низкая скорость ухудшает наполнение вследствие снижения эффекта дозарядки, а слишком высокая скорость обуславливает повышенные гидравлические потери на впуске [5].

Интерес к динамике входящего потока воздуха в поршневом ДВС с наддувом обусловлен ее влиянием на состав смеси, то есть на варьирование соотношения воздух/топливо между отдельными цилиндрами. Прикладное значение исследования динамики процессов во входящем потоке заключается в облегчении проектирования впускного трубопровода новой модели двигателя или усовершенствовании существующих конструкций.

Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:

- получены амплитудно-частотные характеристики пульсаций скорости, давления и локального коэффициента теплоотдачи в потоке во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом, в том числе при разных долях сброса сжатого воздуха;

вом и создают основу для разработки инженерных методик расчета и проектирования впускных систем двигателей с наддувом. Разработаны эффективные методы повышения качества процесса впуска и их конструктивного оформления, что может привести к улучшению технико - экономических показателей ДВС. Отдельные результаты работы приняты к реализации на ООО «Уральский дизель-моторный завод» при проектировании и модернизации двигателей 6ДМ-21Л, 8ДМ-21Л, 8ДМ-21ЭЛ, 12ДМ-21 Л.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались и были представлены на:

- межрегиональной научно - технической конференции в Челябинском высшем военном автомобильном командно - инженерном училище (4 марта 2010);

- научных семинарах кафедры «Теоретическая теплотехника», г. Екатеринбург, ГОУ ВПО «УрФУ» (2009 - 2012);

- научном семинаре кафедры «Турбины и двигатели», г. Екатеринбург, ГОУ ВПО «УрФУ» (2009 - 2012);

- научно-техническом семинаре при ООО «Уральский дизель- моторный завод» г. Екатеринбург (2012);

- всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», г. Екатеринбург (2011);

- техническом семинаре при ООО «Газпромтранс» Астраханский филиал, г. Астрахань (2012);

- научно-техническая конференция в «ЮУрГУ» г. Челябинск (2012);

Основные положения диссертации опубликованы в 4 печатных работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено положительное решение на 1 патент РФ.

Диссертационная работа была выполнена на кафедрах «Теоретическая теплотехника», «Турбины и двигатели» и на ООО «Уральский дизель - моторный завод».

Автор выражает благодарность своему научному руководителю: д. ф.-м. н., профессору Жилкину Б.П. за доброжелательное отношение и плодотворную совместную работу. Автор благодарит Плотникова Л. В., Ла-ринова И.Д. за техническую поддержку и доброжелательное отношение.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

На сегодняшний день существует большое количество литературы [6-13], в которой рассматривается конструктивное исполнение различных систем поршневых двигателей внутреннего сгорания, в частности, отдельных элементов впускных систем ДВС. Однако в ней практически отсутствует обоснование предлагаемых конструктивных решений на основе анализа газодинамики и теплообмена процесса впуска. Лишь в отдельных монографиях [14, 15] приводятся статистические или экспериментальные данные по результатам эксплуатации, подтверждающие целесообразность того или иного конструктивного исполнения. То есть до недавнего времени уделялось недостаточное внимание научному обеспечению проектирования впускных систем поршневых двигателей.

Лишь в последнее десятилетие в связи с ужесточением экономических и экологических требований к двигателям внутреннего сгорания исследователи и инженеры начинают уделять все больше внимания совершенствованию впускных систем двигателей, так как их рабочие характеристики и качество двигателя в целом в значительной степени зависят от совершенства процессов, протекающих в газовоздушных трактах.

Скоростные характеристики потока воздуха через впускной канал должны быть оптимальными во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя. В частности, известно [16], что чрезмерно низкая скорость потока ухудшает наполнение цилиндра вследствие снижения эффекта дозарядки, а слишком высокая скорость приводит к повышенным гидравлическим потерям на впуске. При этом большинство исследований процессов во впускной системе ДВС в условиях наддува было выполнено при стационарном режиме течения воздуха, когда определялось влияние разных факторов на постоянные расход, потери давления и закрученность потока в цилиндре [17,18]. Специалисты констатируют, что данные о ди-

намике течения потока во впускной системе поршневого двигателя при наддуве фактически отсутствуют [19].

Результаты исследований потока воздуха во впускной системе ДВС в динамике содержатся в работах [20 - 24]. Все они относятся к безнаддувному двигателю. Вместе с тем отмечается существенное различие в аэродинамических и теплообменных характеристиках потока во впускной и выпускной системах атмосферных ДВС и двигателях с наддувом [25].

1.1 Газодинамика течения во впускных каналах поршневого

ДВС

Установлено [26 - 28], что на протекание газообмена в цилиндре ДВС непосредственно влияют процессы неустановившегося движения газового потока, происходящие во впускном и выпускном трубопроводах. В наибольшей степени это влияние сказывается в период продувки и наполнения для двухтактных ДВС и в период перекрытия клапанов для четырехтактных. Влияние газодинамического эффекта на процесс газообмена может быть положительным или отрицательным в зависимости от многих факторов и, в частности, от геометрических параметров систем впуска и выпуска.

Исследованию и оптимизации впускных и выпускных систем двигателей внутреннего сгорания посвящены труды Вихерта М.М., Грудского Ю.Г., Драганова Б.Х., Круглова М.Г., Обухова B.C., Яновича Ю.В., Войтко В.Г. и других [26 - 28]. Однако их исследования проводились, в основном, методами численного моделирования или экспериментально в статических условиях. Сведения о динамике процессов впуска и выпуска очень ограничены и весьма противоречивы. При этом следует отметить, что исследование впускных и выпускных каналов численным моделированием, стационарными или квазистационарными методами допустимо лишь для их срав-

нительного анализа.