CC BY
37
УДК 551.42.27.35.33
МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВПУСКА БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ
Л. А. Жолобов, канд. техн. наук, профессор; А. М. Дыдыкин, доцент; С. В. Захаров, ст. преподаватель; Д. А. Никифоров, аспирант
ФГОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»
В статье рассматривается влияние конструктивных параметров системы впуска дизеля, таких как впускной канал, впускной трубопровод, воздушный фильтр на наполнение цилиндра двигателя свежим зарядом, представлена схема модернизации впускного канала испытуемого двигателя и сравнительные аэродинамические характеристики канала до и после модернизации.
Ключевые слова: система впуска, впускной канал, воздушный фильтр, впускной трубопровод, наполнение цилиндра.
Параметры впускного тракта существенно влияют на выходные показатели двигателя. За счет правильного определения размеров трубопроводов и настройки впускного тракта можно добиться значительного повышения наполнения цилиндра [1, 2].
Обеспечение минимального сопротивления на впуске достигается путем уменьшения шероховатости внутренних стенок трубопроводов, а также устранения резких изменений направления потока, внезапных сужений и расширений тракта. Поиск оптимальной конфигурации впускных каналов и улучшение их расходных характеристик являются основными задачами проектирования систем впуска, так как до 90 % потерь на впуске сосредоточено во впускных каналах головки цилиндра [2].
Оценку отдельных элементов системы впуска, таких как клапанная щель, впускной канал, впускной трубопровод и фильтр, можно провести по расходным характеристикам в режиме аэродинамических испы-
таний, которые, как правило, проводят на безмоторных установках. Расход воздуха определяется непосредственным измерением его объёма, протекающего через элементы системы впуска, или косвенным путём - измерением отдельных параметров потока, характеризующих среднюю и мгновенную скорость его движения.
Важным параметром потока является скорость его истечения через отверстие, которую можно определить по формуле [3, с. 188]:
• f
J оте
3
где Qe - расход воздуха, м /ч; ц - коэффициент расхода;
2
/оте - площадь клапанной щели, м .
В качестве объекта исследования была взята система впуска одноцилиндрового дизеля ВСН-7Д ОАО НПО «ВМП
«АВИТЕК». На первом этапе исследований
Усв.з.
у = 2Е-07х3 - 0,0003х2 + 0,0828х - 0,0535
А ь
х3 - 0,0003х2 + 0
х3 - 0,0003х2 + 0
~7ТТ-------- Л\
0849х + 0,0078
0695х + 0,0068
у = 2Е-07х3 - 0,0002х2 + 0,0438х + 0,0082
(1=1
(1=2
-(1=3
(1=4
(1=5
(1=6
(1=7
(1=8
(1=9
-1=10
100
200
300
400 О- мз/ч
а)
б)
Рис. 1. Зависимость скорости воздуха в канале от высоты подъема клапана: а - схема установки зондов в канале; б - зависимость скорости потока воздуха от его расхода
была проведена аэродинамическая продувка данной системы. Для этого в различных местах канала были установлены зонды для замера статического, динамического и полного давлений (рис. 1, а). Продувка показала, что впускной канал имеет целый ряд недостатков, которые существенно повышают его аэродинамическое сопротивление и ухудшают наполнение цилиндра при работе двигателя.
На рис. 1, б представлено изменение скорости потока воздуха в канале от высоты подъема клапана для зонда № 1. Видно, что скорость возрастает не на всем подъеме клапана, а лишь при его подъеме до высоты 5 - 6 мм. Дальнейший подъем клапана до 10 мм не оказывает на скорость потока никакого влияния. Кривые скоростей потока воздуха при различных подъемах клапана имеют схожий характер и подчиняются одному закону:
у = а ■ х3 + в ■ х2 + с ■ х
+ $
где у - скорость потока воздуха через канал, м /с;
х - расход воздуха через канал, м /ч;
а, в, с, d- эмпирические коэффициенты.
Причиной этому служит несоответствие площади проходного сечения канала и площади клапанной щели. Впускной канал имеет винтовую форму. Входное окно канала представляет собой круглое сечение с максимальной площадью Ртах=907 мм2, а минимальное сечение, также круглое, располагается на входе в улиткообразную камеру канала, и его площадь составляет Рт,п=390 мм2 (рис. 2). Участок между Ртах и Рт,п имеет форму усеченного конуса. Затем идет улиткообразная камера канала, в которой происходит увеличение площади с изменением формы. Третий участок представляет собой цилиндрическую форму.
№ сечения по длине канала
Рис. 2. Изменение площади сечения клапана по длине
Нива Поволжья № 1 (10) февраль 2009 67
0
Рис. 3. Конструктивные изменения впускного канала:
------штатный канал;
......модернизированный канал
Площадь его почти неизменна вплоть до клапанной щели. Площадь клапанной щели составляет Ркл. щ. = 852 мм2 и сопоставима с площадью входного окна клапана, то есть до подъема клапана на высоту 5 -6 мм скорость потока в канале возрастает, но дальнейший подъем не оказывает на скорость никакого влияния.
Недостаточное наполнение цилиндра происходит из-за того, что поток воздуха, попадая в канал, ударяется о стенку улиткообразной камеры, которая расположена почти параллельно входному окну канала. Вследствие этого возникает значительное сопротивление воздуха на входе в улиткообразную камеру канала. Чтобы повысить наполнение двигателя, необходимо направить поток воздуха в улитку с наименьшим сопротивлением.
Нами предлагается канал, у которого проходная площадь плавно уменьшается от входного окна до клапанной щели.
Чертеж штатного канала и схема его модернизации представлены на рис. 3.
При использовании канала предлагаемой формы скорость воздуха в канале воз-
растает на всех режимах продувки за счет отсутствия минимального сечения, которое тормозит поток внутри канала, а подъем клапана составляет 7 мм. Если максимальный расход воздуха в исходном канале составляет порядка 30 кг/ч, то в предлагаемом канале расход достигает 40 кг/ч (рис. 4).
Таким образом, видоизмененная форма впускного канала предполагает увеличение наполнения цилиндра на 10... 15 %, что в свою очередь позволит увеличить выходные показатели двигателя на 5.10 %.
Уменьшение внутреннего сопротивления канала и трения о стенки движущегося потока воздуха - это только один, хотя и немаловажный, аспект при рассмотрении впускного тракта. Для повышения коэффициента наполнения V немаловажно использовать возникающие во впускной системе волновые явления. Эти волновые явления возникают в результате работы двигателя и инерции свежего заряда. Данную задачу можно решить путем определения оптимальной длины прямолинейного уча-
Высота подъема клапана И, мм
1 0
40
35
30
-25 „
Скорость
-20 воздуха в
канале, м/с
15
10
5
0
Расход воздуха, кг/ч
кг/ч
а) б)
Рис. 4. Изменение расхода воздуха через канал: а - исходный канал, б - измененный канал
стка впускного трубопровода и конструкции воздушного фильтра.
Испытания проводились на работающем двигателе с использованием шлейфа датчиков и оборудования для согласования и синхронизирования сигналов с углом поворота коленчатого вала двигателя, а также программного обеспечения для обработки сигналов с датчиков.
Перед воздушным фильтром на двигатель установлен датчик массового расхода воздуха, а между фильтром и головкой устанавливались проставки разной длины: 0 мм (без проставки), 55 мм и 75 мм. Испытания проводились при частотах вращения
коленчатого вала 1500 мин-1 (холостой ход), 2000 мин-1, 2500 мин-1, 3000 мин-1 (номинальная частота вращения).
На рис. 5 представлен график зависимости мгновенного расхода воздуха во впускной системе при разных длинах впускного трубопровода на номинальном режиме работы за один рабочий цикл двигателя, а также представлен закон подъема впускного клапана по углу поворота коленчатого вала.
Анализ графика показывает, что в начале процесса впуска поступление воздуха в цилиндр проходит с задержкой на 50.60 град п. к. в. вследствие сопротивления
Рис. 5. Зависимость мгновенного расхода воздуха во впускной системе при разных параметрах ее конструкции (п=3000 мин.-1)
Нива Поволжья № 1 (10) февраль 2009 69
впускной системы. В дальнейшем расход воздуха увеличивается и достигает максимального значения после прохождения поршнем нижней мертвой точки, затем расход воздуха уменьшается. После закрытия впускного клапана во впускной системе возникают колебания воздуха, затухающие к следующему открытию впускного клапана. Длина прямолинейного участка впускного трубопровода оказывает значительное влияние на амплитуду и декремент затухания этих колебаний, т. е. чем меньше длина впускного трубопровода, тем декремент затухания меньше.
При увеличении частоты вращения коленчатого вала максимальный расход воздуха возрастает для всех проставок (рис. 6, а).
При частоте вращения 2500.3000 мин-1 максимальный расход воздуха через впускной клапан с использованием проставки ниже, чем без нее, а это в свою очередь приводит к недостаточному наполнению цилиндра. Причиной этого можно назвать несоответствие закона движения впускного клапана закону движения заряда по впускной системе. Поэтому гидравлическое сопротивление впускной системы в целом не позволяет использовать разрежение, создаваемое поршнем в период впуска.
Увеличение длины впускного канала необходимо в тех случаях, когда происходит уменьшение наполнения вследствие возникновения обратной волны. Применение стандартной проставки длиной 75 мм
а) б)
Рис. 6. Значения максимальных расходов воздуха в зависимости от частоты вращения коленчатого вала при использовании проставок разной длины: а) зависимость максимального расхода от частоты вращения к. в.; б) зависимость максимального расхода от длины впускного трубопровода
Рис. 7. Зависимость мгновенного расхода воздуха от частоты вращения коленчатого вала со стандартным фильтром и без фильтра
не только не уменьшает обратный выброс, но и способствует его увеличению (рис. 6, б).
Воздушный фильтр, используемый в системе впуска данного двигателя, также оказывает негативное влияние на наполнение цилиндра, что можно видеть из рис. 7.
Анализ полученных данных показывает, что интенсивное наполнение цилиндра свежим зарядом с использованием воздушного фильтра начинается на 30.40° позднее, чем без него. Это говорит о том, что воздушный фильтр имеет значительное сопротивление, которое препятствует оптимальному наполнению цилиндра. Начиная с 90° поворота коленчатого вала показания датчика массового расхода воздуха с использованием воздушного фильтра начинают превышать показания датчика без его использования. Но это лишь является результатом увеличения скорости протекания воздуха по впускной системе за счет большего разрежения в цилиндре. Следует также отметить, что при использовании фильтра возникают волновые явления во впускной системе после закрытия впускного клапана и продолжаются почти до следующего его открытия. Исходя из этого можно сделать вывод, что стандарт-
ный воздушный фильтр имеет значительное сопротивление, снижающее массовое наполнение цилиндра свежим зарядом.
Таким образом, для повышения наполнения цилиндра свежим зарядом необходимо определять влияние каждого элемента, составляющего впускной тракт двигателя. В результате модернизации системы впуска дизеля удалось повысить наполнение цилиндра на 15.20 %, что позволяет улучшить его технико - экономические показатели на 5.10 % в зависимости от режима работы двигателя.
Литература
1. Вихерт, М. М., Конструирование впускных систем быстроходных дизелей / М. М. Вихерт, Ю. Г. Грудский. - М.: Машиностроение, 1982 - С.151.
2. Драганов, Б. Х., Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания / Б. Х. Драганов, М. Г. Круглов, В. С. Обухова. - Киев: Вища шк., 1987. - 175 с.
3. Райков, И. Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания: учебник для вузов / И. Я. Райков. - М.: Высш. школа, 1975. -320 с.
