Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физическая картина движения рабочего тела и теплообмена в газовоздушных каналах головки цилиндра 10
1.1. Физические представления о процессах, протекающих во впускных и выпускных каналах головок цилиндров быстроходных ДВС 13
1.1.1. Газодинамика рабочего тела и теплообмен в ГВК 20
1.2. Анализ существующих методов моделирования газодинамических процессов в системах впуска-выпуска ДВС 23
1.2.1. Нульмерный подход 25
1.2.2. Одномерный подход 26
1.2.3. Двумерные и трехмерные подходы 30
1.3. Анализ методов моделирования процессов теплопередачи в ДВС и ГВК головок цилиндров 34
1.3.1. Исследования конвективного теплообмена в рабочих полостях ДВС 36
1.4. Выводы 42
1.5. Постановка задачи исследования 43
Глава 2. Расчет параметров истечения газа в трубопроводах системы впуска и выпуска методом характеристик 45
2.1. Определение параметров рабочего тела в цилиндре 56
2.1.1. При закрытых клапанах (закрытая система) 56
2.1.2. При процессе газообмена (открытая система) 58
2.2. Граничные условия 63
2.3. Начальные условия 64
2.4. Описание программы - Главный блок 66
2.5. Некоторые результаты программирования замкнутого рабочего цикла ..69
2.6. Выводы 76
Глава 3. Физические основы и методика определения мгновенных локальных коэффициентов теплоотдачи на поверхностях ГВК 77
3.1. Основные допущения модели движения и термодинамики рабочего тела в ГВК Уравнения движения рабочего тела в ГВК 77
3.2. Общие принципы построения конечно-элементной схемы решения 85
3.2.1. Подход к построению уравнений МКЭ и аппроксимация граничных условий 86
3.3. Конечно-элементная формулировка задачи гидродинамики 88
3.3.1. Конечно-элементная запись системы уравнений Эйлера в переменных «скорость — давление» 88
3.3.2. Построение конечно-элементной модели ГВК двигателя ... 90
3.4. Методика расчета локального теплообмена на поверхностях ГВК 93
3.4.1. Теплообмен при открытом клапане 93
3.4.2. Теплообмен при закрытом клапане 101
3.5. Выводы 105
Глава 4. Экспериментальное исследование температурного состояния головки цилиндров автомобильного двигателя 107
4.2. Цель экспериментального исследования 107
4.3. Описание экспериментальной установки 119
4.4. Методика проведения экспериментального исследования -Погрешностей измерения и расчета 120
4.5. Результаты эксперимента 126
4.6. Выводы 134
Глава 5. Расчетное исследование теплового состояния головки цилиндров двигателя ВАЗ-2108 136
5.1. Выбор модели и метода расчета температурного состояния головки цилиндров .138
5.2. Результаты моделирования замкнутого рабочего процесса и определения термодинамических параметров газа в ГВК, скоростные граничные условия 141
5.3. Результаты расчетов скоростных полей во впускном и выпускном каналах 149
5.4. Результаты расчетов моделирования граничных условий теплообмена на поверхностях элементов головки цилиндров двигателя ВАЗ-2108 159
5.4.1. Моделирование граничных условий теплообмена со стороны газовоздушных каналов 159
5.4.2. Моделирование локальных граничных условий конвективного теплообмена со стороны камеры сгорания 164
5.4.3. Моделирование граничных условий теплообмена в полостях охлаждения 166
5.5. Результаты расчетного исследования теплового состояния головки цилиндров двигателя ВАЗ-2108 169
5.6. Сравнение с другими методами 171
5.7. Выводы 173
Заключение 175
Список литературы 177
- Анализ методов моделирования процессов теплопередачи в ДВС и ГВК головок цилиндров
- Некоторые результаты программирования замкнутого рабочего цикла
- Построение конечно-элементной модели ГВК двигателя
- Методика проведения экспериментального исследования -Погрешностей измерения и расчета
Введение к работе
В современных условиях ускоренного темпа развития двигателестроения, а также доминирующих тенденций интенсификации рабочего процесса при условии повышения его экономичности, все более пристальное внимание уделяется сокращению сроков создания, доводки и модифицированию имеющихся типов двигателей. Основным фактором, существенно снижающим как временные, так и материальные затраты, в этой задаче является применения современных вычисленных машин. Однако их использование может быть эффективным лишь при условии адекватности создаваемых математических моделей реальным процессам, определяющим функционирование ДВС. Особенно остро на данном этапе развития современного двигателестроения стоит проблема теплонапряженности деталей цилиндро-прошневой группы ЦПГ и головки цилиндров, неразрывно связанная с повышением агрегатной мощности. Взаимодействие рабочего тела со стенками ЦПГ приводи к крайне неравномерному тепловому нарушению ее деталей. Высокие локальные тепловые потоки на указанных поверхностях являются основной причиной низкой эксплуатационной надежности современных двигателей.
Не имея объективных данных о параметрах газодинамики и теплообмена во впускных и выпускных каналах системы бензиновых двигателей, невозможно оценить температурное поле детали ЦПГ, количество введенной и потерянной теплоты. Без информации о тепловом состоянии детали ЦПГ невозможно оценить величину тепловых деформаций и напряжений и, следовательно, невозможно правильно оценить надежность конкретно детали ЦПГ и всего бензиновой двигателя в целом. Следовательно, значения тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи во впускных и выпускных двигателях необходимы как при разработке новых двигателей, так и при доводке уже существующих образцов.
Вместе с тем процессы мгновенного локального конвективного теплообмена между рабочим телом и стенкам ГВК все еще остаются недостаточно изученными и являются одним из узких мест в теория ДВС. Хотя бы, доля теплоты, переданной в систему охлаждения только через выпускные каналы, составляет 2.5-4 % от всей теплоты, подведенной в двигатель с топливом, или до 50% всей теплоты, воспринимаемой головкой цилиндра.
В связи с этим создание надежных, экспериментально обоснованных расчетно - теоретических методов исследования локального конвективного теплообмена в ГВК, дающих возможность получать достоверные оценки температурного и теплонапряженного состояния деталей Ці 11 ДВС, является актуальной проблемой. Ее решение позволит осуществить обоснованный выбор конструкторских и технологических решений, повысить научно-технический уровень проектирования, даст возможность сократить цикл создания двигателя и получить экономический эффект за счет снижения себестоимости и затрат на экспериментальную доводку двигателей.
Цель и задачи исследования
Основная цель диссертационной работы заключается в решении комплекса теоретических, экспериментальных и методических задач, связанных с созданием новых уточенных математических моделей и методов расчета локального конвективного теплообмена в ГВК двигателя. В соответствии с поставленной целью работы решались следующие основные задачи, в значительной мере определившие и методическую последовательность выполнения работы:
1. Проведение теоретического анализа нестационарного течения потока в
ГВК и оценка возможностей использования теории пограничного слоя
при определении параметров локального конвективного теплообмена в
двигателях;
Разработка алгоритма и численная реализация на ЭВМ задачи потенциального течения рабочего тела в ГВК в нестационарной постановке для определения скоростей, температуры и давления.
Создать новую методику численного определения полей мгновенных скоростей обтекания рабочим телом ГВК в трехмерной постановке;
Разработка математической модели локального конвективного теплообмена в ГВК с использованием основ теории пограничного слоя.
Проверка адекватности математических моделей локального теплообмена в ГВК путем сравнения экспериментальных и расчетных данных.
Практическое применение математических моделей и расчетных методов для исследования локальных параметров конвективного теплообмена в ГВК, оценки теплового и напряженно-деформированного состояния деталей головки цилиндров бензинового двигателя.
Реализация этого комплекса задач рассматривается нами как достижение основной цели работы - решение проблемы создания инженерного метода расчета локальных параметров конвективного теплообмена в ГВК бензинового двигателя.
Актуальность проблемы определяется тем, что решение поставленных задач позволит осуществить обоснованный выбор конструкторских и технологических решений на стадии проектирования двигателя, повысить научно-технический уровень проектирования, позволит сократить цикл создания двигателя и получить экономический эффект за счет снижения себестоимости и затрат на экспериментальную доводку изделия.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что: 1. Впервые использована математическая модель, рационально сочетающая одномерное представление газодинамических процессов во впускной и выпускной системе двигателя с трехмерным представлением течения газа в ГВК для расчета параметров локального теплообмена.
Развиты методологические основы проектирования и доводки бензинового двигателя путем модернизации и уточнения методов расчета локальных тепловых нагрузок и теплового состояния элементов головки цилиндров.
Получены новые расчетные и экспериментальные данные о пространственных течениях газа во впускных и выпускных каналах двигателя и трехмерном распределении температур в теле головки блока цилиндров бензинового двигателя.
Достоверность результатов обеспечена применением
апробированных методов расчетного анализа и экспериментальных исследований, обпщх систем уравнений, отражающих фундаментальные законы сохранения энергии, массы, импульса с соответствующими начальными и граничными условиями, современных численных методов реализации математических моделей, применением ГОСТов и других нормативных актов, соответствующей градуировкой элементов измерительного комплекса в экспериментальном исследовании, а также удовлетворительным согласованием результатов моделирования и эксперимента.
Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что разработаны алгоритм и программа расчета замкнутого рабочего цикла бензинового двигателя с одномерным представлением газодинамических процессов во впускной и выпускной системах двигателя, а также алгоритм и программа расчета параметров теплообмена в ГВК головки блока цилиндров бензинового двигателя в трехмерной постановке, рекомендованные к внедрению. Результаты теоретического исследования, подтвержденные экспериментом, позволяют значительно сократить затраты на проектирование и доводку двигателей.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры
9 ДВС СПбГПУ в 2002-2004 г.г., на XXXI и XXXIII Неделях науки СПбГПУ (2002 и 2004 г.г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Анализ методов моделирования процессов теплопередачи в ДВС и ГВК головок цилиндров
При оценке работоспособности теплонапряженных деталей необходимо знать распределение температуры по их объему. Задачи расчета температурного поля в объеме детали относятся к классу краевых задач теплопроводности. При определении температурного состояния деталей ДВС широко используется численные методы исследования на ЭВМ, в частности, метод конечных элементов (МКЭ) в трехмерной постановке. Основной проблемой, с которой сталкиваются исследователи при расчетах, является проблема определения граничных условий (ГУ) задачи теплопроводности. Закладываемые в расчеты ГУ во многом определяют надежность, достоверность и практическую ценность результатов моделирования полей температур. При исследовании теплового и напряженно-деформированного состояния основных деталей ДВС необходимо задавать граничные условия, адекватно отражающие сложные физические процессы, протекающие в камире сгорания и в системах охлаждения, впуска-выпуска и т.п. Для современных перспективных ДВС особенно актуальна задача определения граничных условий теплообмена в системах охлаждения, впуска и выпуска.
Способы задания граничных условий подробно описаны в литературе [13, 15, 46, 50, 73, 74 и др.]. Обычно в задачах теплообмена ГУ задают в виде температуры окружающей среды и закона теплообмена с ней (ГУ третьего рода). Для постановки ГУ третьего рода необходимо знать распределение по граничной поверхности количественной характеристики интенсивности теплообмена - коэффициента теплоотдачи.
В настоящее время методы нахождения граничных условий теплообмена можно условно разделить на обратные и прямые. При использовании обратных методов необходимо располагать информацией о плотности теплового потока и действующей разности температур или о характере изменения температур в окрестностях изучаемой точки поверхности (метод ОЗТ - обратной задачи теплопроводности) [45, 46]. Обратная задача теплопроводности для деталей ДВС представляет собой задачу определения краевых условий, решение которой дает возможность нахождения локальных значений коэффициентов теплоотдачи, тепловых потоков или температур на поверхностях деталей. При решении обратных задач могут быть получены тождественные температурные поля в результате равноценных, в энергетическом отношении, внешних воздействий на основные детали двигателя, но совершенно по-разному отражающие сложные физико-химические процессы протекающие в цилиндре двигателя.
Под термином "прямые методы" подразумеваются методы, в которых для определения граничных условий теплообмена используются результаты определения параметров процессов в цилиндре. Прямая задача теплопроводности при корректно поставленных условиях имеет единственное решение [45]. Прямые методы определения граничных условий являются наиболее предпочтительными, поскольку основаны на моделировании реальных физических процессов, происходящих в рабочих полостях двигателя. Одним из перспективных подходов к определению граничных условий теплообмена может быть исследование процессов теплопередачи с помощью того или иного прямого метода с последующим контролем полученных результатов обратным методом.
Процессы теплообмена оказывают существенное влияние на параметры рабочего процесса двигателя, и, в основном, определяют теплонапряженное состояния деталей ЦПГ. В связи с этим получение достаточно точных данных об интенсивности теплоотдачи в ДВС имеет большое значение.
В настоящее время для определения коэффициента конвективного теплообмена предложены различные формулы, которые существенно отличаются друг друга не только структурой, значениями постоянных коэффициентов и показателей степени при переменных, но содержат в качестве переменных разные характеристики и параметры газа. В некоторых из этих формул в качестве переменных применяются коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость, зависящие от температуры, и плотность, зависящая от температуры и давления газа. В других формулах в качестве переменных используются непосредственно давление и температура газа. В некоторых формулах в качестве определяющей температуры используется температура газа, в других - средняя температура, равная полусумме температур газа и стенки. В некоторых формулах в качестве определяющей применяется средняя скорость поршня. В других- скорость газа. Постоянные коэффициенты и показатели степени имеют разные значения в зависимости от тактности двигателя, организации рабочего процесса, уровня форсирования по среднему эффективному давлению и средней скорости поршня. Поэтому при исследовании конвективного теплообмена приходится выбирать ту или иную формулу для определения коэффициента теплоотдачи в зависимости от того, насколько исследуемый двигатель по тактности, организации рабочего процесса и уровню форсирования сходен с тем двигателем, для которого та или иная формула получена.
Первые эмпирические формулы, позволяющие качественно оценить интенсивность мгновенной теплоотдачи в цилиндре поршневого двигателя были получены в 20-е годы 20-го века Нуссельтом и Бриллингом [25, 26, 44, 45]. Эти формулы, а также разработанные в дальнейшем их уточнения, базировались в основном на мгновенных значениях давления и температуры в цилиндре, определяемых по индикаторной диаграмме. В качестве характерной скорости использовалась, как правило, средняя скорость поршня (Эйхельберг, Кинд, Пфлаум [25] и др.). Подобные формулы основывались, в первую очередь, на результатах обработки опытных данных, полученных при испытаниях двигателей различного типа, размера, времени выпуска и работающих в различных режимах. Они обеспечивают получение более или менее достоверных результатов для суммарного циклового количества переданного тепла при правильном подборе постоянных величин, характеризующих структуру течения в камере сгорания. Однако в этих формулах не заложена возможность учета локальных и мгновенных параметров состояния и движения рабочего тела, они практически не дают физического представления о процессах теплообмена, так как в них, зачастую, не разделяются даже лучистая и конвективная составляющие теплового потока.
Некоторые результаты программирования замкнутого рабочего цикла
В главном блоке (рис.2.2) начинается и заканчивается выполнение программы. Здесь не производятся вычисления, а систематически связываются основные расчетные подпрограммы.
Знак (JJJJ) используют для того, чтобы отличить первый и второй входы от последующих входов в главные подпрограммы. Это делается с целью миновать определенные части программы, которые должны выполняться только один раз. Этому знаку присваиваются три значения. Для первого ввода JJJJ имеется начальное значение, равное 0; для второго ввода - равное 1, и для третьего ввода - равное 2.
На первом вводе (JJJJ = 0) программа считывает исходные данные в соответствующие части программы. При этом вводе не производится никаких других вычислительных операций. При втором вводе (JJJJ = /) сегменты программы, связанные со считыванием данных, остаются в стороне. Данные обрабатываются и проходят подготовку, здесь же впервые запускаются основные вычислительные операции. На третьем и на последующих вводах (JJJJ — 2) программа минует как секцию считывания, так и секцию обработки данных, и приступает непосредственно к основным вычислениям.
При обращении вновь к главному блоку знаку (JJJJ) задается значение 0. Затем программа обращается к главным подпрограммам в установленном порядке: подпрограмма определения параметров течения потока в трубах, подпрограмма определения параметров сгорания топлива в цилиндрах при закрытых клапанах и параметров в цилиндрах в период газообмена (моделирование индикаторного процесса). А также определения граничных условий: у смежных выпускных и впускных труб с цилиндрами; у разветвлениях; у глушителей; у ресиверов; у нейтрализатора; у воздушного фильтра; у выхода; у входа, и есть подпрограмма для определения мгновенного истечения масса и для определения окончательных результатов. После первого ввода во все основные подпрограммы знаку JJJJ задается значение 1. Затем к подпрограммам обращаются во второй раз. Тогда проверяется, не был ли превышен требуемый суммарный угол поворота коленчатого вала; если нет, то знаку JJJJ присваивается значение 2, и программа вновь входит в секцию вычислений. Если суммарный угол поворота коленчатого вала был превышен, программа остановит свою работу. Программа будет постоянно выполнять указанную выше последовательность действий до тех пор, пока это условие не будет выполнено.
Программа имеет возможность определять изменения параметров течения газа в цилиндрах и в системах впуска и выпуска для разных конструкций двигателей. Примеры некоторых вариантов конструкций представлены на рис. (2.3-2.4).
Рассмотрим пример расчета одноцилиндрового двигателя (схема на рис.2.3-а-П). Предположим, что к моменту открытия клапана газодинамические параметры постоянны как по длине цилиндра, так и по длине трубопровода. Начальные значения давления и температуры в цилиндре определяются расчетом процессов сжатия, сгорания, расширения. В качестве начальных давление и температура газов в трубопроводе зададим атмосферные давление и температуры воздуха. Начальные скорости газа как в цилиндре, так и в трубопроводе приняты равными нулю. Текущие значения площади проходного сечения выпускного и впускного клапана найдем из таблицы проходных сечений. При применении программы получены результаты расчета исследования изменения давления, температуры в цилиндре и в выпускном и впускном каналах при закрытых клапанах и в периоде газообмена а также параметров тепловыделения при процессе сгорания в зависимости от угла поворота коленчатого вала как изображено на рис. 2.5-2.6. Перед основным расчетом проводился предварительный расчет десяти рабочих циклов для обеспечения устойчивости начальных условий.
Заметим, что с момента открытия выпускного клапана в трубопроводе формируется волна сжатия, распространяющаяся к свободному концу трубопровода с некоторой конечной скоростью. В определенный момент времени эта волна сжатия достигает соплового отверстия и в результате распада разрыва формируется обратная волна, распространяющаяся к клапанной щели, прямя вольна, распространяющаяся по фону за отверстием к свободному концу трубопровода.
На рис. 2.6-в показано изменение давления в впускном канале (в точке 3). Заметим что, сначала давление потока в этой точке вдруг увеличивается, потому что давление в цилиндре немного выше, чем давление потока в канале и, кроме того, впускной клапан открывается прежде ВМТ. Из-за этого возникает волны сжатия, которая движется в направлении клапана. После этого, когда движение поршень цилиндра в направлении НМТ давление в цилиндре уменьшается и начинается истечение потока в цилиндр. А также, возникает волны расширения вдоль впускного канала, которая отражена с открытого конца канала как волна сжатия из-за движения поршня в направлении НМТ и тогда давление в точке 3 снова увеличивается. Потом в конце открытого канала возникает волны расширения, движущаяся в направлении клапана и из-за этого давление уменьшается после достижения его максимальной величины.
Также получены результаты расчета изменения параметров давления и температуры в цилиндре, в системах выпуска и впуска и течения массы в цилиндре в зависимости угла п.к.в. 4-цилиндрового двигателя. Схема двигателя представлены на рис.(2.7). Сравнение результатов расчета показало хорошее совпадение с результатами, полученными другими авторами, например [42, 92, 108, 109].
Таким образом, рассмотрены общие аспекты применения одномерных математических моделей методом характеристик и показаны некоторые результаты расчета впускных и выпускных систем одно и многоцилиндровых двигателей.
Построение конечно-элементной модели ГВК двигателя
Моделирование динамики потоков в каналах впуска и выпуска и в цилиндрах, процесса сгорания и теплообмена быстро развивается с появлением ЭВМ, становясь альтернативной традиционным экспериментальным исследованиям. Однако экспериментальные исследования остаются необходимыми для проверки и определения точности машиных данных.
Задачей настоящего экспериментального исследования является апробация расчетной новой методики определения локальных граничных условий конвективного теплообмена в газо-воздушных каналах автомобильного двигателя.
Из опыта, для измерения мгновенных и средних значений: локальных тепловых потоков или температур в теле детали, было выбрано стационарное термометрирование головки цилиндров двигателя. Данный выбор был сделан исходя из следующих соображений. В настоящее время определить мгновенные и средние тепловые потоки можно двумя способами: прямым измерением при помощи датчиков тепловых потоков или путем термометрирования исследуемой детали с последующим аналитическим решением обратной задачи теплопроводности ОЗТ. Из этих двух методов, наиболее предпочтителен метод измерения теплового потока, однако погрешность прямого измерения может оказаться достаточно большой (до 20-30%), что вызвано прежде всего конструкцией существующих датчиков тепловых потоков. Аналитическое же решение обратной задачи теплопроводности также достаточно затруднено из-за сложной конфигурации головки цилиндров, причём тепловой поток не может быть всегда перпендикулярен к стенкам каналов головки цилиндра.
Исходя из вышесказанного, представляется целесообразным окончательную проверку разработанной методики в целом проводить по конечному результату - стационарному распределению температур в теле головки цилиндров. Идентификация процессов теплообмена по стационарному температурному полю более предпочтительна, т.к. проще, надежнее и точнее воспроизводится экспериментально [45]. В связи с этим, для апробации разработанной модели был выбран метод прямого измерения стационарных температур в теле головки цилиндров, которое позволяет определить температуру детали, выявить неравномерность распределения этих температур, а также провести оценки соответствия экспериментальных и расчетных значений температур. Для контроля правильности определения индикаторной показателей необходимы замеры механических потерь в двигателе, что должно быть предусмотрено конструкцией экспериментальной установки. В соответствии с этим в задачу экспериментального исследования входило получение: - стационарного распределения температур в теле головки цилиндров для сравнения с результатами расчетов; - механических потерь в двигателе в зависимости от частоты вращения коленчатого вала для определения индикаторных показателей двигателя; - показателей режима работы двигателя, необходимых для идентификации результатов расчета параметров газа в ГВК. Настоящая глава содержит описание экспериментальной установки, порядок проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры ДВС СПбГПУ на испытательном стенде с автомобильным двигателем ВАЗ-2108. Стенд оснащен системами, обеспечивающими его функционирование при всех режимах испытаний, а также контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой, позволяющей контролировать и регистрировать все необходимые для работы и проведения исследования параметры двигателя и его систем (системы топливоподачи, охлаждения и т.д.). Основные параметры двигателя приведены в таблице 4.1.
В состав испытательного стенда входят: 1- тормозная установка; 2-муфта для соединения двигателя с тормозом; 3- система охлаждения двигателя; 4- система смазки двигателя; 5- система питания топливом; 6-система питания воздухом; 7- система отвода отработавших газов; 8- органы управления двигателем; 9- пульт управления двигателем; 10- датчики и аппаратура для производства измерений.
Тормозная установка производства MEZ VSETIN электрического типа, состоит из: 1- балансирного динамометра постоянного тока IDS926-4V, предназначенного для определения вращающего момента и скорости вращения вала; 2- преобразователя Леонарда DPI 126-4, осуществляющего механическое нагружение двигателя; 3- распределительного шкафа 4RN2088, предназначенного для регулирования крутящего момента и скорости вращения вала; 4- пульта с аппаратурой управления и контроля.
Балансирный динамометр может работать в двух режимах - двигателя и тормоза. При работе в режиме двигателя динамометр питается от преобразователя Леонарда, состоящего из генератора постоянного тока и приводного асинхронного двигателя. По замерам частоты и вращения крутящего момента в данном режиме работы можно определить мощность механических потерь в двигателе. При работе динамометра в режиме генератора мощность, поступающая от двигателя через преобразователь Леонарда возвращается в электрическую сеть.
Подержание постоянства требуемой скорости вращения и крутящего момента осуществлено путем введения обратных связей по скорости вращения и по моменту. В качестве звеньев обратной связи применены фотоэлектрический датчик числа оборотов и датчик вращающего момента. Требуемые значения момента и оборотов настраиваются с пульта управления при помощи потенциометра. Точность поддержания режима составляет 0,5% по оборотам и 1% по крутящему моменту.
Методика проведения экспериментального исследования -Погрешностей измерения и расчета
Моделирование динамики потоков в каналах впуска и выпуска и в цилиндрах, процесса сгорания и теплообмена быстро развивается с появлением ЭВМ, становясь альтернативной традиционным экспериментальным исследованиям. Однако экспериментальные исследования остаются необходимыми для проверки и определения точности машиных данных.
Задачей настоящего экспериментального исследования является апробация расчетной новой методики определения локальных граничных условий конвективного теплообмена в газо-воздушных каналах автомобильного двигателя.
Из опыта, для измерения мгновенных и средних значений: локальных тепловых потоков или температур в теле детали, было выбрано стационарное термометрирование головки цилиндров двигателя. Данный выбор был сделан исходя из следующих соображений. В настоящее время определить мгновенные и средние тепловые потоки можно двумя способами: прямым измерением при помощи датчиков тепловых потоков или путем термометрирования исследуемой детали с последующим аналитическим решением обратной задачи теплопроводности ОЗТ. Из этих двух методов, наиболее предпочтителен метод измерения теплового потока, однако погрешность прямого измерения может оказаться достаточно большой (до 20-30%), что вызвано прежде всего конструкцией существующих датчиков тепловых потоков. Аналитическое же решение обратной задачи теплопроводности также достаточно затруднено из-за сложной конфигурации головки цилиндров, причём тепловой поток не может быть всегда перпендикулярен к стенкам каналов головки цилиндра.
Исходя из вышесказанного, представляется целесообразным окончательную проверку разработанной методики в целом проводить по конечному результату - стационарному распределению температур в теле головки цилиндров. Идентификация процессов теплообмена по стационарному температурному полю более предпочтительна, т.к. проще, надежнее и точнее воспроизводится экспериментально [45]. В связи с этим, для апробации разработанной модели был выбран метод прямого измерения стационарных температур в теле головки цилиндров, которое позволяет определить температуру детали, выявить неравномерность распределения этих температур, а также провести оценки соответствия экспериментальных и расчетных значений температур. Для контроля правильности определения индикаторной показателей необходимы замеры механических потерь в двигателе, что должно быть предусмотрено конструкцией экспериментальной установки. В соответствии с этим в задачу экспериментального исследования входило получение: - стационарного распределения температур в теле головки цилиндров для сравнения с результатами расчетов; - механических потерь в двигателе в зависимости от частоты вращения коленчатого вала для определения индикаторных показателей двигателя; - показателей режима работы двигателя, необходимых для идентификации результатов расчета параметров газа в ГВК. Настоящая глава содержит описание экспериментальной установки, порядок проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры ДВС СПбГПУ на испытательном стенде с автомобильным двигателем ВАЗ-2108. Стенд оснащен системами, обеспечивающими его функционирование при всех режимах испытаний, а также контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой, позволяющей контролировать и регистрировать все необходимые для работы и проведения исследования параметры двигателя и его систем (системы топливоподачи, охлаждения и т.д.). Основные параметры двигателя приведены в таблице 4.1. Общий вид стенда, пульта управления, головки цилиндра двигателя и измерительных приборов представлен на фот. 4.1.-4.2. В состав испытательного стенда входят: 1- тормозная установка; 2-муфта для соединения двигателя с тормозом; 3- система охлаждения двигателя; 4- система смазки двигателя; 5- система питания топливом; 6-система питания воздухом; 7- система отвода отработавших газов; 8- органы управления двигателем; 9- пульт управления двигателем; 10- датчики и аппаратура для производства измерений.
Тормозная установка производства MEZ VSETIN электрического типа, состоит из: 1- балансирного динамометра постоянного тока IDS926-4V, предназначенного для определения вращающего момента и скорости вращения вала; 2- преобразователя Леонарда DPI 126-4, осуществляющего механическое нагружение двигателя; 3- распределительного шкафа 4RN2088, предназначенного для регулирования крутящего момента и скорости вращения вала; 4- пульта с аппаратурой управления и контроля.
Балансирный динамометр может работать в двух режимах - двигателя и тормоза. При работе в режиме двигателя динамометр питается от преобразователя Леонарда, состоящего из генератора постоянного тока и приводного асинхронного двигателя. По замерам частоты и вращения крутящего момента в данном режиме работы можно определить мощность механических потерь в двигателе. При работе динамометра в режиме генератора мощность, поступающая от двигателя через преобразователь Леонарда возвращается в электрическую сеть.
