Содержание к диссертации
Введение
1. Совершенствование процесса смесеобразованияв дизеле .
1.1. Основные пути улучшения показателей дизелей
1.2. Влияние движения воздушного заряда в цилиндре на качество смесеобразования ...
1.3. Выбор параметров впускного тракта
1.3.1. Движение воздушного заряда во впускном тракте
1.3.2. Профилирование впускных каналов
1.4. Совершенствование процесса впуска
1.5. Методы исследования газодинамических процессов во впускных каналах и в цилиндре .
2. Методика численного расчета движения воздушного заряда во впускном канале и в цилиндре
2.1. Численные методы исследования газодинамических процессов во впускных трактах двигателей
2.2. Методика численного расчета движения воздушного заряда во впускном канале и в цилиндре .
2.2.1. Математическая модель движения воздушного заряда во впускном канале и в цилиндре .
2.2.2. Критерии установления решения задачи .
2.2.3. Влияние количества расчетных ячеек в области расчета анализируемые параметры .
Экспериментальные исследования впускных каналов на газодинамической установке . 76
Описание газодинамической установки для определения
параметров воздушного заряда в цилиндре . 76
Определение параметров воздушного заряда в цилиндре . 80
Результаты экспериментальных исследований впускного канала. ... 84
Сравнение результатов численного расчета и эксперимента 86
Расчетные исследования впускных каналов трехклапанной головки цилиндра . 90
Описание расположения впускных каналов
трехклапанной головки цилиндра . . . . . 91
Результаты численного расчета движения воздушного заряда во впускных каналах трехклапанной головки цилиндра . 93
Влияние параметров и расположения падающего впускного канала на характеристики воздушного заряда в цилиндре ... 96
Влияние параметров и расположения винтового впускного канала на характеристики воздушного заряда в цилиндре . '. . . . . . 100
Влияние направляющей втулки, впускного клапана и его седла на характеристики воздушного заряда в цилиндре . 103
Расчет величины коэффициента трансформации . . 106
Исследование влияния вращательного движения воздушного заряда в цилиндре на экологические и экономические показатели дизеля 109
5.1. Описание экспериментальной установки. . . 109
5.2. Результаты исследований влияния вращательного движения воздушного заряда в цилиндре на показатели дизеля .
5.3. Проверочные экспериментальные исследования трехклапаннои модели головки цилиндра.
Основные выводы
Библиографический список
- Влияние движения воздушного заряда в цилиндре на качество смесеобразования
- Методика численного расчета движения воздушного заряда во впускном канале и в цилиндре
- Определение параметров воздушного заряда в цилиндре .
- Результаты численного расчета движения воздушного заряда во впускных каналах трехклапанной головки цилиндра
Введение к работе
1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА
СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯВ ДИЗЕЛЕ ....
Основные пути улучшения показателей дизелей
Влияние движения воздушного заряда в цилиндре на качество смесеобразования ....
Выбор параметров впускного тракта
Движение воздушного заряда во впускном тракте
Профилирование впускных каналов
Совершенствование процесса впуска
Методы исследования газодинамических процессов во впускных каналах и в цилиндре ....
2. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА ДВИЖЕНИЯ
ВОЗДУШНОГО ЗАРЯДА ВО ВПУСКНОМ КАНАЛЕ
И В ЦИЛИНДРЕ
Численные методы исследования газодинамических процессов во впускных трактах двигателей
Методика численного расчета движения воздушного заряда во впускном канале и в цилиндре .
Математическая модель движения воздушного заряда во впускном канале и в цилиндре ....
Критерии установления решения задачи .
Влияние количества расчетных ячеек в области расчета анализируемые параметры .....
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВПУСКНЫХ
КАНАЛОВ НА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ . 76
Описание газодинамической установки для определения
параметров воздушного заряда в цилиндре ... 76
Определение параметров воздушного заряда в цилиндре . 80
Результаты экспериментальных исследований
впускного канала. ....... 84
Сравнение результатов численного расчета и эксперимента 86
РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВПУСКНЫХ КАНАЛОВ
ТРЕХКЛАПАННОЙ ГОЛОВКИ ЦИЛИНДРА ... 90
Описание расположения впускных каналов
трехклапанной головки цилиндра . . . . . 91
Результаты численного расчета движения воздушного заряда
во впускных каналах трехклапанной головки цилиндра . 93
Влияние параметров и расположения падающего
впускного канала на характеристики воздушного
заряда в цилиндре ....... 96
Влияние параметров и расположения винтового
впускного канала на характеристики воздушного
заряда в цилиндре . '. . . . . . 100
Влияние направляющей втулки, впускного клапана и его
седла на характеристики воздушного заряда в цилиндре . 103
Расчет величины коэффициента трансформации . . 106
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО
ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ЗАРЯДА В ЦИЛИНДРЕ
НА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯ 109
Описание экспериментальной установки. . . 109
Результаты исследований влияния вращательного движения воздушного заряда в цилиндре на
4
показатели дизеля .
5.3. Проверочные экспериментальные исследования
трехклапаннои модели головки цилиндра.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .
ПРИЛОЖЕНИЯ.
5 ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
ВК - впускной канал
ГЦ - головка цилиндра
ВВ - вредные вещества
КС - камера сгорания
ДВС - двигатель внутреннего сгорания
ВМТ - верхняя мертвая точка
НМТ - нижняя мертвая точка
РМ - дисперсные частицы
KB - коленчатый вал
МКЭ - метод конечных элементов
МКО - метод конечных объемов
МКЧ - метод крупных частиц
АЛИС - адаптивно локально измельченная расчетная сетка
КПД - коэффициент полезного действия
ОГ - отработавшие газы
Влияние движения воздушного заряда в цилиндре на качество смесеобразования
Движение воздушного заряда в цилиндре и КС в значительной степени определяет качество смесеобразования. Потоки воздуха и сопутствующая им турбулизация влияют на расслоение заряда, сгорание и теплопередачу. Поэтому исследование структуры движения воздуха, формирующегося в цилиндре, представляет одну их первостепенных задач при создании и совершенствовании дизеля [80].
Смесеобразование в дизеле заключается в упорядоченном впрыске топлива в КС, нагреве частиц топлива, испарении их и смешении паров с воздухом. Быстрое и полное сгорание требует своевременного подведения к частицам топлива необходимого для сгорания количества воздуха.
Смесеобразование в дизелях с непосредственным впрыском топлива также зависит от типа КС, соплового аппарата распылителя и закона подачи топлива [6, 8, 12, 62, 69, 93, 113, 123].
На скорость процесса смесеобразования влияют многие факторы: величина частиц топлива, температура (топлива, воздушного заряда и стенки КС), давление, а также градиент концентрации паров у поверхности частицы. Увеличение поверхности испарения топлива достигается распыливанием его в объеме КС до частиц размером 40...70 микрон при объемном смесеобразовании или нанесении топлива на поверхность КС в виде тонкой пленки и его последующее испарение при пленочном смесеобразовании [11], что требует относительно высокой скорости воздуха в пристеночном слое КС.
Процесс смесеобразования в КС дизеля реализуется преимущественно двумя способами. В первом - скорость вращения воздушного заряда в КС должна быть такой, чтобы за период впрыска заряд мог повернуться на величину угла между соседними факелами, увлекая за собой наиболее легкие частицы топлива [120, 122]. Кроме того, возможна подача топлива под давлением 150...250 МПа через форсунку с многосопловым распылителем. При этом движение воздуха не требуется, так как частицы топлива равномерно распределяются по объему КС за счет высокого давления впрыскивания. Фактически, в этом случае имеет место объемное смесеобразование. Организуемое в большинстве дизелей движение воздуха в КС в основном выполняет задачу переноса самих капель по камере и отвод паров от них. Идеальным случаем такой схемы является создание по всему объему равномерной топливо-воздушной смеси, приближающейся к составу стехиометрической [81]. Вторая схема исходит из принципа пленочного смесеобразования, при которой движение воздуха относительно пленки топлива, образовавшейся на стенке камеры, должно обеспечивать необходимую скорость испарения топлива [112]. Такая схема наиболее характерна для дизелей с относительно небольшими диаметрами КС, где расстояние от носка распылителя до стенки КС находится в диапазоне 25...35 мм и большая часть топлива попадает на ее поверхность. В этом случае процесс испарения в сильной степени зависит от движения воздушного заряда в цилиндре.
Анализ конструкций КС быстроходных дизелей позволил определить тенденцию использования КС (рис. 1.1), обеспечивающих высокую топливную экономичность и низкую токсичность ОГ. Кроме того, за последние годы доля дизелей с неразделенными КС увеличилась с 19 % (1996г.) до 96% (2007г.), что обуславливается перечисленными преимуществами непосредственного впрыска топлива в открытую КС.
В процессе смесеобразования высокие требования предъявляются не только к топливоподаче, но и к движению воздушного заряда в цилиндре, зависящего преимущественно от формы и расположения ВК [57].
В основном, движение воздуха над движущимся поршнем четырехтактного дизеля, обеспечивается за счет:
1. направления воздуха по касательной к окружности цилиндра на такте впуска через тангенциальный или винтовой каналы, а также заширмлением седла или клапана;
2. перетекания воздуха из надпоршневого пространства в камеру и обратно в процессе сжатия - расширения.
Процесс смесеобразования и сгорания в дизеле с вращательным движением воздуха в КС относительно ее оси представляется следующим образом [116]: на частицу топлива, увлекаемую вращающимся воздухом, действует центробежная сила, направленная к стенке КС и подъемная сила, обусловленная уменьшением давления к центру вихря. Под действием перечисленных сил траектория движения частиц топлива зависит от соотношения их массовой плотности к плотности вращающегося воздушного заряда. Более тяжелые частицы движутся по спирали наружу, а легкие во внутрь. Мелкие частицы топлива распространяются по объему КС, а капли топлива, обладающие большей массой по сравнению с воздухом, движутся к стенкам КС. Под действием воздушных потоков оболочка струи отделяется от его ядра и частично наносится на стенку КС. При воспламенении топлива продукты сгорания, имеющие высокую температуру, как менее плотные, движутся к центру КС, вытесняя свежий воздушный заряд к периферии. Пламя во вращающемся воздухе движется к центу камеры [115]. Таким образом, функция воздушного вихря заключается как в подводе воздуха к пленке топлива на стенке КС и в ее объеме, так и отводе продуктов сгорания из зоны горения. В большинстве случаев форма КС определяет конструкцию распылителя, количество сопловых отверстий, их диаметр и направление топливных струй. Эффективность процесса смесеобразования в дизелях с неразделенными КС может быть достигнута: 1. путем равномерного распределения всей массы распыленного топлива по КС; 2. выбором соответствующего вращательного движения воздушного заряда, что особенно важно в дизелях с относительно небольшими диаметрами цилиндров.
Методика численного расчета движения воздушного заряда во впускном канале и в цилиндре
Проектирование ВК начинается с выбора типа канала и рассмотрения возможности его расположения между бобышками под шпильки, приливами для КС, форсунки, штанг коромысел клапанов и других немаловажных элементов. Далее, по центрам тяжести нескольких сечений перпендикулярных движению потока, определяется направление оси канала, после чего - место расположения входного окна (начального характерного сечения), площадь которого выбирается с учетом средней скорости потока воздуха в горловине канала. Обычно, на номинальном режиме работы двигателя, скорость заряда во ВК не превышает 40 м/с. В ряде случаев форму каналов представляют в виде ограничивающей поверхности, соединяющей заданные сечения плавными переходами. Количество и вид поперечных сечений зависят от сложности конфигурации канала, а также его типа.
В вертикальной плоскости продольная ось канала должна иметь постоянную кривизну или угол наклона. В горизонтальной плоскости изменение кривизны оси допускается до второго характерного сечения в зоне бобышки под втулку клапана. Вдоль средней линии канала площадь сечений в направлении к клапану должны быть плавными.
В зависимости от типа ВК профилируют различными способами. Общими конструктивными параметрами для каналов всех типов являются: проходные сечения, размер, форма и месторасположение в ГЦ входного окна, конфигурация и площадь минимального сечения fmin на стыке подводящего участка с клапанной щелью тангенциального или винтового канала, диаметр горловины канала dz.
Конфигурация входного окна определяется возможностями компоновки ВК в ГЦ. Наиболее целесообразной по газодинамическим показателям является круглая форма, но при необходимости начальное окно может быть прямоугольное или овальное. На практике используется верхний, боковой или (реже) нижний подвод воздуха. Площадь входного отверстия канала принимают обычно равной (1.. .1,4) .
Ниже рассмотрены геометрические особенности различных типов ВК.
Однофункциональный (падающий) канал (рис. 1.12) между седлом и входным окном задают двумя-тремя сечениями обычно в местах пересечения канала с бобышкой для направляющей втулки клапана и изменения направления потока перед горловиной. Сочетание малой длины и развитых проходных сечений в надклапанной камере позволяет получить относительно технологически простую конструкцию с низким газодинамическим сопротивлением.
Однофункциональные каналы по длине обычно выполняют с сечениями постоянной площади или с небольшой конфузорностью. Это позволяет равномерно распределить поток газа вдоль оси канала и по периметру клапанной щели. Сечение, частично перекрытое направляющей втулкой клапана и бобышкой, выполняют меньше входного окна. Горловина канала непосредственно перед седлом клапана должна иметь форму сопла с сужением на 10...15% по отношению к площади горловины канала с целью избежания срыва потока. Сужение обычно начинают в зоне над горловиной с углом конусности до 30, а заканчивают тороидальной поверхностью с радиусом 0,25...0,3 dz.
Тангенциальный канал (рис. 1.13) задают на плане осью, по которой делают разрез фронтальной проекции, где наносят контуры верхней и нижней стенок и надклапаннои камеры на участке между минимальным сечением и седлом. Минимальное сечение приводят на чертеже для контроля при изготовлении ГЦ. Наиболее ответственной является конфигурация участка над клапаном. Поверхность верхней стенки канала выполняют с возможно большим радиусом или в виде наклонной прямой к горизонтальной плоскости. Нижнюю образующую канала заканчивают у его горловины острой кромкой или радиусом не превышающим 3 мм.
Определение параметров воздушного заряда в цилиндре .
Газодинамическая установка позволяет экспериментально определять параметры движения воздушного заряда в цилиндре и оценивать величину газодинамических потерь во впускном тракте. Полученные результаты необходимы для оценки адекватности математической модели, а также совершенствования методики численного расчета движения воздушного заряда во ВК и цилиндре. Целью данной главы является определение параметров движения воздушного заряда в цилиндре, а также величину газодинамического сопротивления тангенциального ВК. Для реализации этого необходимо решить следующую задачу: - провести экспериментальные исследования тангенциального впускного канала на газодинамической установке. - оценить сходимость результатов расчета и эксперимента.
Наиболее распространенными среди методов экспериментального исследования газодинамических процессов во ВК и в цилиндре являются методы спрямляющего колеса, крыльчатки, а также термоанемометров, оценивающие скорость движения воздушного заряда в цилиндре [1, 24, 96, 99,105,111,123-125,136,].
В квазистационарной постановке задачи вместо реального процесса впуска, характеризующегося непрерывным изменением параметров р, Т, h , рассматриваются их фиксированные значения на отдельных участках. Последнее позволяет значительно упростить оценку ВК. Принципиальная схема установки предназначенной для статической продувки ВК представлена на рис. 3.1.
Исследования велись при перепадах давления АР = 6, 13, 18 и 22 кПа во ВК, соответствующих расходам воздуха на характерных режимах работы дизеля.
Испытываемая ГЦ 3 устанавливалась на основание 1, имитирующее цилиндр двигателя. Воздушный заряд из системы со сжатым воздухом по трубопроводу 7 поступал во ВК, предварительно пройдя через измерительную диафрагму 8.
Перепад давлений между входом и выходом измерительной диафрагмы оценивался с помощью дифференциального манометра 11, а температура потока воздуха - термометром 9. Дифференциальный манометр 10 необходим для определения избыточного давления воздуха перед измерительной диафрагмой. Впускной клапан 4 открывался на величину hK/I = 4..A2 мм при помощи микрометрического винта 6.
При открытом клапане воздух из трубопровода 7 поступал в цилиндр и затем выходил в атмосферу через лопаточный венец спрямляющего колеса 2, лопатки которого установлены таким образом, чтобы тангенциальная составляющая скорости потока воздействовала на них. В результате, на колесе создавался вращающий момент, прямопропорциональный моменту количества движения воздушного заряда в цилиндре. Противодействие повороту колеса осуществлялось с помощью тензометрического устройства 14, сигнал от которого регистрировался прибором 13. Ввиду незначительного гидравлического сопротивления межлопаточных каналов спрямляющего колеса, давление в цилиндре практически не отличалось от атмосферного. Поэтому очевидно, что избыточное давление перед ВК, возникающее за счет его сопротивления, измерялось манометром 12. Опыт наших исследований свидетельствует, что для достижения требуемой погрешности эксперимента (д 0,5%) измерения необходимо проводить при шести подъемах клапана и четырех перепадах давления, т.е. для каждого ВК получается 24 экспериментальные точки. При этом измеряются момент на спрямляющем колесе и другие параметры, необходимые для расчета расхода воздуха. В ходе газодинамических исследований вычислялись:
Результаты численного расчета движения воздушного заряда во впускных каналах трехклапанной головки цилиндра
Расчетные исследования исходных ВК трехклапанной ГЦ выявили закономерное увеличение расхода воздуха на 48...66 % во всем диапазоне подъемов клапанов в сравнении с тангенциальным каналом двухклапанной ГЦ (рис. 4.3). Очевидно, что значительное увеличение расхода воздуха произошло за счет снижения сопротивления каналов, характеризуемое коэффициентом затрат энергии за фазу впуска Sc с 1,147 до 0,889, составляющее 22%. Момент на спрямляющем колесе также значительно увеличился на 25...50 %, благодаря этому, коэффициент трансформации
Исследование движения потока воздуха в цилиндре позволило заключить, что воздушный заряд, вышедший из клапанной щели падающего канала, равномерно распределяется по объему цилиндра (рис. 4.4,а). При этом незначительная величина момента на спрямляющем колесе М"р 40 г-см относительно оси цилиндра дополнительно подтвердила однофункциональность канала. В свою очередь, винтовой канал формирует ярко выраженное вращательное движение в цилиндре (рис. 4.4,6). Уп-9,5 мы
Важная особенность наблюдается при совместном функционировании рассматриваемых ВК. Поток воздуха, вышедший из клапанной щели падающего канала, положительно влияет на формирование вращательного движения, в результате чего момент на спрямляющем колесе в среднем на 10% больше суммы моментов падающего М%, и винтового Мвю, каналов.
Движение воздушного заряда в зоне клапанной щели падающего ВК Кроме того, следует обратить внимание на картину движения воздуха, расположенную в зоне А (рис. 4.4,в), где потоки воздуха, образованные падающим и винтовым каналами, взаимодействуя друг с другом, переформируются и приобретают направление касательное к стенке цилиндра, что следует считать существенным преимуществом. Изучение различных
Распределение давления воздушного заряда в зоне клапанной щели падающего ВК участков проточной части ВК позволило установить, что в клапанной щели исходного варианта ВК происходит срыв потока, вызывающий локальную турбулизацию воздушного заряда (Зона Б, рис. 4.5.), уменьшающую эффективное проходное сечение в этой зоне и в конечном итоге негативно воздействующую на расходную характеристику ВК. Кроме того, распределение давления в исследуемой области позволило выявить локальные зоны в точках А,Б,В,Г (рис. 4.6.), в которых происходит резкое изменение давления за счет кривизны поверхностей канала, клапана и его седла, также характеризующее турбулизацию потока. Подобное исследование винтового канала значительных недостатков его профиля не выявило.
Особенности формирования вихревого движения в цилиндре представлено на рис. 4.7. С увеличением расстояния от огневой плоскости ГЦ возникает ярко выраженное вихревое движения с единственным центром вращения, постоянно смещающимся при движении потока к спрямляющему колесу. Приведенная особенность вихревого движения противоречит допущению о вращении воздушного заряда как твердого тела, принимаемого во многих расчетах на стадии проектирования ВК.
Движение воздушного заряда в плоскостях перпендикулярных оси цилиндра (Ди = 12 мм) 4.3. Влияние параметров и расположения падающего впускного канала на характеристики воздушного заряда в цилиндре
Основная функция падающего канала заключается в наполнении цилиндра воздухом. Очевидно, что для обеспечения наилучших условий наполнения требуется такой профиль канала, при котором его газодинамическое сопротивление было бы минимально. В качестве «идеального профиля» в этом случае может служить труба круглого сечения. Однако на практике, такая форма канала не может быть реализована, поэтому в процессе проектирования используются падающие каналы с максимально возможными проходными сечениями. Изменяемыми параметрами, -2П Падающий BK Винтовой BK Выпускной Рис. 4.8. Схема изменения расположения и профиля падающего ВК характеризующими положение падающего ВК являются расстояние уп, а его профиль - радиусы верхней - Rin и нижней - R2n образующих канала (рис. 5.8.). Диапазон изменения у„ составлял 0...9,5 мм, Ящ 135... 180 мм, R.2n- 5...7,5 мм. Профиль винтового канала и его расположение относительно оси цилиндра на данном этапе исследования оставались неизменными. Ограниченные пределы изменения перечисленных величин обусловлены компоновочными («тесными») особенностями расположения выпускного канала, форсунки, свечи накаливания, ребер при воздушном охлаждении (рубашки охлаждения при жидкостном охлаждении), а также других немаловажных конструктивных элементов. Расстояние уп, существенного влияния на расход воздуха через ВК не оказывает (рис. 4.9), что важно знать при проектировании ГЦ.
