Технические науки / 5. Энергетика

Проф., д.ф.-м.н. Жилкин Б. П., доц., к.т.н. Плотников Л. В.

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

Мгновенная локальная теплоотдача в выпускном тракте поршневого ДВС

Такт выпуска в поршневом ДВС является скоростным, высокодинамичным процессом. Поэтому для расчета теплоперепада и для определения температурных напряжений в выпускном коллекторе (канале) необходимы данные о мгновенной локальной теплоотдаче в нем. Однако они практически отсутствуют, что заставляет производить инженерные расчеты в виде оценок по показателям стационарных продувок. Вместе с тем известно, что коэффициент теплоотдачи в нестационарных условиях может отличаться от стационарного случая в 2-4 раза [1-4]. Это различие объясняется динамической перестройкой структуры течения в пограничном слое.

С целью установления влияния динамики на интенсивность теплоотдачи в выпускном тракте ДВС проводились исследования на натурной модели поршневого двигателя размерности 8,2/7,1 (подробное описание в [5]). 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 асинхронного электродвигателя, частота вращения которого регулировалась преобразователем частоты в диапазоне мин^-1, что соответствует частоте вращения коленчатого вала n от 600 до 3000 мин^-1.

Для осуществления необходимых замеров на базе аналого-цифрового преобразователя была создана автоматизированная система, передающая опытные данные в персональный компьютер. В ней для определения, как скорости потока воздуха w, так и локального коэффициента теплоотдачи a_х 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 по оси выпускного канала. А при определении a_х применялся датчик с нитью, лежащей на фторопластовой подложке, который монтировался заподлицо со стенкой канала. Замер частоты вращения и индикация положения распределительного вала производились тахометром, состоящим из закрепленного на валу зубчатого диска и индуктивного датчика. По этим данным определялось условное положение коленчатого вала, в частности, прохождение поршнем ВМТ и НМТ.

На рис. 1 показана конфигурация рабочего участка выпускного тракта экспериментальной установки и места установки датчиков для измерения мгновенных значений средней скорости потока воздуха и локальной теплоотдачи. В связи ограниченным количеством информации по газодинамике и мгновенной теплоотдаче в процессе выпуска за базовую основу был выбран классический прямой канал с круглым поперечным сечением: к головке цилиндра 2 пристыкована на шпильках выпускная труба 4 длиной мм и диаметром мм. В трубе имеется три контрольных сечения для установки датчиков термоанемометра 5 на расстояниях L₁, L₂ и L₃ соответственно 20, 140 и 340 мм от выпускного окна в головке блока.

Исследования проводились для разных частот вращения коленчатого вала (от 600 до 3000 мин^-1) при различных постоянных избыточных давлениях на выпуске р_b (от 0,5 до 2,0 бар) без использования глушителя шума. Температура воздуха в подающей магистрали составляла 22-24 ^оС.

Рис. 1. Конфигурация выпускного тракта экспериментальной установки и места установки датчиков: 1 – цилиндр-дутьевая камера; 2 – головка блока;
3 – выпускной клапан; 4 – опытная выпускная труба; 5 – датчики термоанемометра для измерения локальной теплоотдачи; 6 – датчики термоанемометра для измерения скорости потока воздуха

Совмещенные зависимости скорости потока воздуха w 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. 2.

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 (рис. 2, а). Следует отметить, что противоположный эффект наблюдается в процессе впуска в поршневом ДВС [6], где динамика процесса усложняется (фиксировались более выраженные пульсации скорости потока воздуха) по мере увеличения частоты вращения коленчатого вала. Примечательно, что после закрытия выпускного клапана скорость потока воздуха не становится равной нулю и наблюдаются некоторые флуктуации скорости. Схожий эффект существует и для процесса впуска [7], где скорость потока воздуха после закрытия впускного клапана также не обращается в нуль.

Влияние гидродинамических факторов проявляется в динамике процесса теплоотдачи. Возникает (рис. 2) 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 частоты вращения коленчатого вала.

а)

б)

Рис. 2. Зависимости скорости потока воздуха w (1) и локального (L₂=140 мм) коэффициента теплоотдачи a_х (2) от угла поворота коленчатого вала j в выпускном канале при избыточном давлении р_b = 2,0 бар при разных частотах вращения коленчатого вала: а – n=600 мин^-1; б – n=3000 мин^-1

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. Поэтому необходимо более подробно рассмотреть газодинамические особенности процесса выпуска, чтобы представить механизм изменения локального коэффициента теплоотдачи на различных скоростных режимах двигателя. Для этого обратимся к рис. 3, на котором показаны амплитудно-частотные спектры пульсаций скорости потока воздуха w в выпускной канале ДВС при избыточном давлении 2,0 бар для разных частот вращения коленчатого вала.

Оказалось, что при всех значениях частоты вращения коленчатого вала значимые частоты спектра являются кратными. Например, для n = 600 мин^-1 эти частоты равны 5, 10, 15, 20 Гц и так далее. С ростом частоты вращения коленчатого вала кратность увеличивается: при n = 1500 мин^-1 значимые частоты простираются до 50 Гц и их кратность составляет 5, тогда как для более высоких n значимые частоты смещаются в область более высоких значений (до 80 и 120 Гц) и их периодичность также возрастает (12,5 и 25).

а)

б)

Рис. 3. Амплитудно-частотные спектры пульсаций скорости потока воздуха w в выпускной канале при р_b = 2,0 бар для разных частот вращения коленчатого вала: а – n=600 мин^-1; б – n=3000 мин^-1

Также обращает на себя внимание характер изменения амплитуды значимых частот спектра при разных n. Так при n = 3000 мин^-1 (рис. 3, б) наблюдается практически линейный спад амплитуды по мере увеличения частоты, тогда как при низких и средних n такая зависимость отсутствует, что вероятно, объясняется сменой режима течения с ростом частоты вращения коленчатого вала ДВС. На возможную смену режима течения также указывают данные (рис. 4) о зависимости расхода воздуха V₂ от частоты вращения коленчатого вала n для различных постоянных избыточных давлений р_b перед клапаном, которые аппроксимированы линейными функциями.

В результате аппроксимации в условиях поддержания постоянного давления p_b в цилиндре-камере проявились три режимных участка: I – участок увеличения расхода (от 600 до 1500 мин^-1); II – зона постоянного расхода (от 1500 до 2600 мин^-1); III – участок его спада (от 2600 мин^-1). Обнаруженное снижение расхода воздуха при высоких частотах вращениях коленчатого вала, возможно, связано с изменением структуры течения, образованием на этих режимах застойных зон в канале и соответствующим уменьшением сективного проходного сечения выпускного тракта.

Рис. 4. Объемный расход воздуха V₂ (L₂ = 140 мм) через выпускной канал в зависимости от частоты вращения коленчатого вала n

1 – р_b = 2,0 бар; 2 – р_b = 1,0 бар

Таким образом, анализ амплитудно-частотных спектров, скоростных и расходных характеристик в выпускном канале поршневого ДВС свидетельствует о том, что с ростом n газодинамика процесса выпуска меняется, происходит смена режима течения потока. Это должно приводить к трансформации зависимости локального коэффициента теплоотдачи по углу φ.

Было установлено (рис. 5), что 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 (наиболее существенно при 3000 мин^-1).

Рис. 5. Зависимость мгновенных локальных коэффициентов теплоотдачи a_х в выпускном канале от угла поворота коленчатого вала j при избыточном давлением 2,0 бар при разных частотах вращения коленчатого вала:

1 – n=600 мин^-1; 2 – n=1500 мин^-1; 3 – n=3000 мин^-1

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 выпускном коллекторе, поскольку необходимо учитывать динамику процесса выпуска, т.е. применять только эмпирические выражения теплообмена, отражающие динамику данного процесса для конкретного типоразмера двигателя.

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. 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.