Технические науки / 5. Энергетика

Доц., к.т.н. Плотников Л. В.

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

Динамика изменения скорости и давления потока во впускном канале ДВС при установке глушителя

К впускным системам поршневых двигателей внутреннего сгорания предъявляются [1-3] ряд требований, среди которых основными являются максимальное снижение аэродинамического шума и минимальное гидравлическое сопротивление. Оба этих показателя определяются во взаимосвязи конструкции фильтрующего элемента, конфигурации впускных труб и характером течения в них. При этом практически отсутствуют данные о влиянии глушителя шума впуска на газодинамику потока во впускной системе. В работе рассматриваются эти вопросы применительно к двигателю размерности 8,2/7,1. Исследование проведено при финансовой поддержке молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ.

Исследования проводились на натурной модели одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания размерности 8,2/7,1, приводимой во вращение асинхронным двигателем, частота вращения коленчатого вала которого регулировалась в диапазоне n = 600–3000 мин^–1 с точностью ± 0,1%. Более подробно экспериментальная установка описана в [4]. Исполнение рабочего участка впускного тракта представлено на рис. 1.

Для измерений мгновенных значений давления в потоке (статического) во впускном канале р_х использовался датчик давления S-10 фирмы WIKA, быстродействие которого – менее 1 мс. Погрешность измерений составляла
± 0,25 %.

Рис. 1. Исполнение впускного тракта экспериментальной установки:
1 – канал в головке цилиндра; 2 – сменная вставка (впускная труба);
3 – измерительная труба 4 – датчики термоанемометра для измерения скорости потока воздуха; 5 – датчики давления

Для определения мгновенной средней по сечению канала скорости потока воздуха w_х применялись термоанемометры постоянной температуры оригинальной конструкции [5], чувствительным элементом которых являлась нихромовая нить диаметром 5 мкм и длиной 5 мм. Систематическая ошибка измерения скорости w_х составляла 5,4 %.

Замеры частоты вращения коленчатого вала осуществлялись с помощью тахометрического счетчика, состоящего из зубчатого диска, закрепленного на коленчатом вале, и индуктивного датчика. Датчик формировал импульс напряжения, с частотой, пропорциональной скорости вращения вала. По этим импульсам регистрировалась частота вращения, определялось положение коленчатого вала (угол φ) и момент прохождения поршнем ВМТ и НМТ.

Сигналы со всех датчиков поступали в аналого-цифровой преобразователь и далее передавались в персональный компьютер для дальнейшей обработки.

Влияние фильтрующего элемента на газодинамику процесса впуска изучалось на различных его видах с различными фильтрующими элементами. Так в качестве одного из фильтрующих элементов использовался стандартный воздушный автомобильный фильтр с коэффициентом сопротивления 7,5. В качестве другого фильтрующего элемента был выбран тканевый фильтр с коэффициентом сопротивления 32. Коэффициент сопротивления определялся экспериментально по средством статической продувки в лабораторных условиях.

На рис. 2 и 3 показаны зависимости скорости потока воздуха w_x и давления р_х от угла поворота коленчатого вала φ при частоте вращения 3000 мин^-1 при использовании различных фильтров впуска.

Рис. 2. Зависимость скорости воздуха w_х во впускном канале от угла поворота коленчатого вала φ при частоте вращения 3000 мин^–1 и разных фильтрующих элементах: 1 – без фильтра; 2 – стандартный воздушный фильтр; 3 – тканевый фильтр

Было установлено, что в обоих случаях (с глушителем и без) пульсации давления и скорости потока воздуха наиболее выражены при высоких частотах вращения коленчатого вала. При этом во впускном канале с глушителем шума значения максимальной скорости потока воздуха, как и следовало ожидать, меньше, чем в канале без него. Особенно это выражено при высоких частотах вращения коленчатого вала. После закрытия впускного клапана давление и скорость потока воздуха в канале при всех условиях не становятся равной нулю и наблюдаются некоторые их флуктуации (рис. 2 и 3), что характерно и для процесса выпуска [6]. При этом установка глушителя шума впуска приводит к уменьшению пульсаций давления и скорости потока воздуха при всех условиях, как в течение процесса впуска, а также после закрытия впускного клапана.

Рис. 3. Зависимость давления р_х во впускном канале от угла поворота коленчатого вала φ при частоте вращения 3000 мин^–1 и разных фильтрующих элементах: 1 – без фильтра; 2 – стандартный воздушный фильтр; 3 – тканевый фильтр

Проведенное исследование показало, что на процесс впуска в поршневом двигателе внутреннего сгорания оказывает существенное влияние наличие фильтрующего элемента. Возрастание сопротивления фильтрующего элемента сглаживает динамику процесса наполнения, но при этом снижает скорость потока воздуха, что соответственно уменьшает коэффициент наполнения. Влияние фильтра усиливается с ростом частоты вращения коленчатого вала. Было установлено пороговое значение коэффициента сопротивления фильтра (примерно 50-55), после которого его величина не оказывает влияния на расход.

Литература:

1. 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.

2. 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.

3. Блинов А. Д. Современные подходы к созданию дизелей для легковых автомобилей и малолитражных грузовиков / А. Д. Блинов, П. А. Голубев,
Ю. Е. Драган и др. Под ред. В. С. Папонова и А. М. Минеева. – М.: НИЦ «Инженер», 2000. – 332 с.

4. 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. 24-27.5.

5. 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.

6. Об изменении газодинамики процесса выпуска в поршневых ДВС при установке глушителя / Л. В. Плотников, Б. П. Жилкин, Крестовских А.В., Падаляк Д.Л. // Вестник академии военных наук. – 2011. – № 2. – С. 267-270.