Содержание к диссертации
Введение
Глава I. МЕТОЖ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА В ВЫПУСКНЫХ СИСТЕМАХ ДВС 12
1.1. Квазистационарные методы 13
1.2. Методы,, основанные; на упрощении системы дифференциальных уравнений нестационарного течения газа 14
1.3. Численные методы решения системы квазилинейных дифференциальных уравнений 18
1.4. Граничные условия, применяемые, при расчетах нестационарного течения газа в выпускных системах. ДВС .» 23
1.5. Выводы. Постановка задачи исследования... 30
Глава 2. ГРАНИЧНЫЕ, УСЛОВИЯ В СИСТЕМЕ "ЦИЛИНДР - ВЫПУСКНОЕ ОКНО - ТРУБОПРОВОД" ДЖ РАСЧЕТА НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНЖ В ВЫПУСКНОЙ СИСТЕМЕ ДВУХТАКТНОГО ДВС . 36
2.1. Определение параметров отрывного течения, за, выпускными окнами 36
2.1-І. Расчет потерь отрывного течения и расхода газа через выпускные окна при докритическом режиме 36
2.1.2. Отрыв потока при течении в канале с. поворотом 47
2.1.3. Расчет потерь отрывного течения и расхода газа через выпускные окна при сверхкритическом режима 50
2.1.4» Особенности расчета отрывного течения в профилированном канале 53
2.2. Граничные, условия в системе "цилиндр - выпускное окно — трубопровод" .... 56
2.3. Граничные условия: при течении в канале; с поворотом „ 60
2..4- Схема расчета, нестационарного течения газа в выпускной системе двухтактного ДВС 63
Глава 3. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ ЗА ВЫПУСКНЫМИ ОКНАМИ МЕТОДОМ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ; 74
3.1. Выбор метода экспериментальных исследований 74
3.2. Визуальные: исследования течения газа в выпускных окнах «75
3.2.1. Методы визуальных исследований газовых потоков-: 75
3.2.2. Исследования течения газа оптическим методом 77
3,2.3. Методика проведения, фотосъемки и анализ результатов ... 80
3.3. Экспериментальные исследования на установках со стационарным режимом течения ... 86
3.3.1. Исследования на установке с плоской моделью . .86
3.3.2. Исследования на установке: с объемной статической моделью 95"
3.4. Экспериментальные исследования на установке с
нестационарным режимом течения . 107
3.4.1. Экспериментальная установка, с динамической одно-цикловой моделью 107
3.4.2. Методика проведения экспериментов, и анализ, результатов исследований при нестационарных режимах, течения: 112
3.5. Исследования, аэродинамических характеристик, выпускных каналов с различной геометрией и рекомендации по их профилированию 120
Глава. 4. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ ЗА ВЫПУСКНШЖ ОКНАМИ НА ДВИГАТЕЛЕ . 129
4.1. Экспериментальная установка с двигателем 4Д 13/14 129
4.2. Измерительная и регистрирующая аппаратура для измерения давлений . . 134
4.2.1. Измерение, давлений в цилиндре двигателя 137 4,2 -2» Измерение давлений в выпускном трубопроводе.. 141
4,3.. Измерение- мгновенной температуры газов . 144
4.3.1 Анализ методов измерения нестационарных температур газов в ДВС
4.3,2. Теоретические основы, измерения нестационарных температур газов термометром сопротивления
4.3.3. Основные, погрешности измерения температуры газового потока ^5
4.3.4. Выбор материала чувствительного элемента термоприемника. 158
4.3..5. Терло приемник для измерения мгновенной температуры газов в цилиндре двигателя. 162
4.3.6. Тарировка датчиков температуры . 172
4.3.7.' Экспериментальное определение, характеристик термоприемника 176
4.3.8. Методика проведения экспериментов и результаты, измерения мгновенной температуры газов I88
4.4. Результаты экспериментальных исследований граничных условий за выпускными окнами
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ. ПОТЕЕЬ- НА ВЫПУСКЕ НА ТЕГШИКО^ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ.204
5.1. Методика проведения экспериментальных исследований 204
5.2. Методика обработки результатов экспериментальных исследований
5.3. Точность определения, основных показателей двигателя 207
5.4. Результаты экспериментальных исследовании влияния; газодинамических потерь на выпуске на технико-экономические показатели двигателя 212
Выводы . 222
Литература 22^
Приложение 241
- Квазистационарные методы
- Определение параметров отрывного течения, за, выпускными окнами
- Выбор метода экспериментальных исследований
- Экспериментальная установка с двигателем 4Д 13/14
- Методика проведения экспериментальных исследований
Квазистационарные методы
Основы квазистационарных методов расчета течения газа в ГВТ ДВС разработаны в трудах С.А.Чашшгина и В.А.Голубева [Ю7], Цемана [142], Н.М.Глаголева [l4], А.С.Орлина и М.Г.Круг-лова [45, 67], А.Э.Симеона [92, 93] и других авторов.
Отличаясь сравнительной простотой, квазистационарные методы дают удовлетворительные результаты при расчете выпускных систем небольшой протяженности и достаточно большого объема. При расчете параметрі газа во всем объеме трубопровода в каждый момент времени принимаются одинаковыми, а их изменения описываются с помощью дифференциальных уравнений весового, объемного или массового баланса и сохранения энергии для стационарного течения. При проведении расчета процесс разбивается на интервалы, в течение которых параметры газа принимаются постоянными. Система замыкается уравнением состояния идеального газа и численно может быть решена с помощью ЭВМ [92, 10б].
Для повышения точности расчета по квазистационарному методу в работах Самсонова Л.А. [89, 90 J выпускной трубопровод разбивается на два элемента, в которых параметры газа считаются постоянными, а объемы элементов изменяются по времени в зависимости от движения импульса давления от выпускных органов к турбине. Таким образом, изменение давления в трубопроводе вблизи выпускных органов имеет сдвиг по фазе по сравнению с изменением давления у турбины, что позволяет проследить за изменением давления и температуры газа по дли 14 не трубопровода.
При определенных условиях квазистапдонарный метод расчета может быть применен и для расчета параметров газа в выпускных, системах простой конфигурации и значительной протяженности [47] Авторы показали, что учитывая сдвиг фаз импульса давления у выпускных органов и у турбины, можно получить удовлетворительные результаты.
Однако сходимость результатов квазистационарных методов расчетов с результатами экспериментов резко ухудшается с увеличением степени наддува, быстроходности двигателей и относительной длины трубопроводов, так как они не позволяют описывать реальные волновые явления, происходящие в выпускных системах. Пределы применимости квазистационарных методов установлены в работах [45,. 6lJ , Так, этот метод расчета может быть успешно применен, если время прохождения волны сжатия от выпускных органов до турбины составляет не более 5-7 угла поворота коленчатого вала.
Определение параметров отрывного течения, за, выпускными окнами
Нестационарный характер и сложная пространственная, структура отрывного потока за выпускными окнами не позволяют на. современном уровне развития механики сплошных- сред создать математическую модель течения, в полной мере отражающую сложные; физические явления, происходящие при истечении, и конструкционные особенности каналов. Помимо этого, решение такой задачи потребует привлечения, значительной части объема оперативной памяти ЭВМ,, что исключило бы возможность проведения расчета нестадионнарныэс течений в ГВТ, Поэтому возникает задача о создании инженерной методики расчета течения через окна, входящей в единую систему определения граничных условий в рамках программного комплекса расчета нестационарных течений в ГВТ. Но при этом методика, в отличие от существующих, должна учитывать основные особенности реального течения - отрыв потока и связанные с этим явлением значительные потери энергии (под потерями энергии будем понимать "гидравлические потери", т.е., потери механической энергии в форме снижения полного давления).
В рамках поставленной задачи введем следующие допущения:
1 Так как большинство двухтактных двигателей относится к классу малооборотных, и среднеоборотных, то течение в исследуемых каналах рассматриваем в квазистационарной постановке, считая: незначительными нестационарные эффекты,.
2 Наиболее распространенная конструкция цилиндровых втулок таких двигателей такова, что поток газов к каждому из выпускных окон подходит слоями, сечение которых в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, лишь незначительно превышает сечение окон,. Поэтому предполагаем о малости бокового поджатия струй в окнах.
3. Так как существенных потерь теплоты при течении газов в исследуемых каналах не происходит ввиду их незначительных размеров, то течение принимаем адиабатическим, а все тепловые потери учитываем при расчете течения в протяженном выпускном трубопроводе С учетом принятых допущений рассмотрим истечение газа из цилиндра через выпускное окно в плоскости, параллельной оси цилиндра (рис 2 1), Частицы газа в струях, подходящих к окну вдоль стенки цилиндра: и днища поршня, обладают определенной инерцией и не могут резко изменить направление. Поэтому струя, выходя из окна, сначала сужается, достигая некоторого минимального сечения, fftnl а затем вниз по потоку начинает расширяться и на некотором расстоянии заполняет все сечение выпускного патрубка. При этом сверху и снизу образуются отрывные зоны А и В,, в которых происходит циркуляционное движение газа» Границами отрывных зон и основного потока: будут разделяющие линии тока (БИТ) - 1 т р и 1тр . Через эти границы между основным потоком и зонами отрыва вследствие турбулентного перемешивания происходит постоянный обмен массами, количеством движения и энергией.. Этот обмен начинается с момента отрыва (точки I» и I), усиливается вниз: по потоку и становится наиболее интенсивным на участке, расширения струи».
Выбор метода экспериментальных исследований
Для оценки достоверности полученных результатов теоретического анализа: необходимо провести их сравнение с результатами экспериментальных исследований, С целью получения: разносторонней информации о физических особенностях, течения и влияния, принятых допущении экспериментальные исследования проводились в несколько этапов На первом этапе исследования проводились методом физического моделирования на различных газодинамических установках при стационарных и нестационарных режимах течения. Выбор метода физического моделирования: на первом этапе обусловлен тем, что этот метод по сравнению с исследованиями на двигателе; значительно дешевле и позволяет исследовать газодинамические процессы, происходящие в выпускных системах, наиболее в "чистом виде", т.е. без влияния на них процессов в соседних, цилиндрах и в смежных системах и агрегатах.. Эксперименты на моделях позволяют также проводить визуализацию потока, которая, дополненная результатами измерения давления в исследуемых областях течения, позволяет провести проверку принятой физической модели течения (формы отрывных зон, величины минимального поперечного сечения струи, распределение давления вдоль стенок канала). Кроме того, физическое моде лирование позволяет в широких пределах изменения режимов истечения и геометрии каналов, исследовать разнообразные конструкции каналов и намечать их рациональные профили.. Однако окончательный вывод о достоверности полученных результатов, может быть сделан только после проведений исследований непосредственно на двигателе,
В настоящее время в связи с развитием оптической и, в частности, голографической техники, одним из эффективных методов. изучения сложных течений в каналах различных энергетических установок становятся визуальные методы исследования.. Эти методы успешно применяются и при исследовании течений в различных системах ДВС [58г 102, 120].
Благодаря визуализации потока, можно получать как качественную (граница потока, наличие и расположение отрывных и застойных, зон и т.д.), так и количественную (скорость потока в любой точке) информацию о течении в исследуемой области. Наиболее простыми и распространенными методшли визуальных исследований являются качественные методы. К ним относятся методы шелковинок, дымовых спектров, различных трассеров и поверхностной визуализации, которые обычно применяются в сочетании с фотографированием и. скоростной киносъемкой.
Экспериментальная установка с двигателем 4Д 13/14
В соответствии с целями исследований была создана экспериментальная установка (рис 4-І), состоящая из двигателя 4Д 13/14, соединенного через муфту МУВП с гидротормозом ЛЕ-4-53г систем питания двигателя топливом, смазки, охлаждения, воздухоснабне-ния:,, выпуска и измерительной и регистрирующей аппаратуры.
Двигатель 4Д 13/14 - V-образный с петлевой схемой газообмена с действительной степенью сжатия Со. = 18 и номинальной мощностью 44 = 88 кВт при ґ) - 2100 мин-1. Двигатель имеет следующие основные конструкционные особенности: блок цилиндров (чугунный) с углом развала 90, гильзы "мокрого типа" (рис- 3.15)г головки отдельные на каждый цилиндр, поршни алюминиевые с тремя компрессионными и двумя маслосъемными кольцами, шатуны стальные двутаврового сечения: с прямым разъемом нижней головки, коленчатый вал трехопорный с двумя коленами, расположенными под углом 180.
Процесс очистки и наполнения цилиндров производится с помощью приводного нагнетателя (типа РУТ), подающего воздух при избыточном давлении Рк = 0,0147 0,0196 МПа в продувочный ресивер, расположенный в развале блоков. Топливный насос высокого давления четырехплункерный, золотникового типа с диаметром плунжера 8 мм и ходом IQ мм. Характеристика насоса, снятая перед началом экспериментов, представлена на рис. 4.2. Форсунки закрытого типа с многодырчатым распылителем и давлением начала подъема иглы 15,7 + 0,49 МПа. Камера сгорания неразделенного типа выполнена в головке, цилиндра. Система смазки двигателя смешанная, система охлаждения - жидкостная В системе воздухоснабжения установлен бак объемом 500 л, соединенный с нагнетателем трубой 0= = 130 мм и L — 0,95 м. В бак воздух поступает из атмосферы по трубе Ю — 120 мм и Z/ =1,5 м, в которой согласно Правилам Щ 50-213-8 установлена нормальная, диафрагма с диаметром в свету %) = 85 мм. Выпускная система двигателя (рис. 4.3) состоит из двух симметричных трубопроводов, отводящих труб и ресивера объемом 750 л. В каждый выпускной трубопровод осуществляется выпуск из двух цилиндров со сдвигом фаз выпуска на. 180 угла поворота коленчатого вала»
Для измерения расхода топлива установка оснащена расходомер ром топлива ДТ НПО "Прибор" ., Крутящий момент ( Me ), развиваемый двигателем, измерялся на статора дискового гидротормоза ЛЕ-4-53а, на котором: для повышения точности измерения маятниковый динамометр заменен двухквадратным (циферблатный указательный прибор типа УЩ,- ГОСТ 9483-60), имеющим погрешность измерения + 0,1$9?7» Кромез того, для уменьшения погрешности измерения были проведены измерение длины тарировочного рычага гидротормоза по методике,,, разработанной на кафедре, с точностью + 0,05 мм (LrP - 879,95 мм) и юстировка указательного прибора Перечисленные мероприятия позволили уменьшить погрешность измерения крутящего момента до 0,-3 0,4$. Тарировочная характеристика гид ротор .
Методика проведения экспериментальных исследований
В связи с тем, что основной характеристикой транспортного двигателяї является скоростная характеристика, то мощность, экономичность и другие показатели работы двигателя определялись в зависимости от частоты вращения: коленчатого вала Учитывая, иные условия работы двигателя на установке, чем в эксплуатации (отсутствие вентилятора, глушителя и другого вспомогательного оборудования) , а также ограниченные, возможности снятия внешней характеристики (с топливного; насоса, был снят регулятор, а фиксация, предела дымления, потребовала бы дополнительных, устройств, в выпускной системе) все эксперименты проводились по одной из частичной скоростной характеристике Снятие скоростной характеристики двигателя: проводилось в, диапазоне частоты вращения от /7„ до Пно при строго фиксированном положении рейки топливного насоса и при постоянных величинах противодавлений на выпуске и температур воды и масла в.: двигателе, рекомендованных заводом-изготовителем (воды, 7&-90С, масла 80-95С).
Для построения характеристики испытания проводились при частотах вращения коленчатгго вала ( /7 = 900,, 1100, 1300, 1600,. 1800, 2000 мин ).. Продолжительность замера на каждом режиме; составляла: не менее 1,,5 мин В процессе проведения эксперимента, фиксировались следующие; величины;:
1) показания указательного прибора гидротормоза, и частота вращения коленчатого вала;
2) время; расхода заданной навески топлива;,
3) давление и температура воздухаїдо мерной, диафрагмы, и давление после диафрагмы в системе воздухоснабжения;
4) давление и температура: воздуха в продувочном ресивере;;
5) давление и температура газов в выпускном ресивере;
6) средняя температура газов: в выпускном трубопроводе;.
7) температура выходящей охлаждающей воды;
8) температура и давление масла в системе смазки;
9) давление и температура окружающего воздуха в лаборатории»
Так как основные показатели двигателя: (мощность, экономичность и характеристики рабочего процесса) не поддаются? непосредственному измерению, а вычисляются по результатам измерении нескольких опытных величин, то для оценки достоверности конечных. результатов необходимо рассмотреь методику обработки результатов, и точность определения опытных данных»
Похожие диссертации на Снижение газодинамических потерь в выпускных каналах двухтактного двигателя внутреннего сгорания
