Динамическая настройка выпуска двухтактных поршневых двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО МГТУ им. Н.Э. Баумана (НИУ)

Динамическая настройка выпуска двухтактных поршневых двигателей

Первов А.А., студент магистратуры Студент факультета «Энергомашиностроение» Кафедры «Поршневые двигатели»

Гришин Ю.А., доктор технических наук, Профессор кафедры «Поршневые двигатели»

Россия, г. Москва

Аннотация

Динамическая настройка выпуска двухтактного поршневого двигателя позволит благодаря оптимизации прихода отраженных волн от элементов геометрии индивидуальной выпускной системы получить перепады давления на выпускном окне, улучшающие условия выпуска и препятствующие выбросу свежего заряда на выпуск.

Результаты численного моделирования хорошо согласуются с результатами соответствующих экспериментов, что свидетельствует об адекватности предлагаемой методики расчета..

Ключевые слова: двухтактный поршневой двигатель, численный метод распада произвольного разрыва, динамическая настройка выпуска.

Abstract

Dynamic tuning of the two-stroke piston engine's release allows to obtain results reflecting changes in the geometry of the individual exhaust system, to obtain a pressure drop in the exhaust window, improved release conditions and obstacles to the release of a fresh charge to the release. The corresponding non stationary release calculations were performed using the numerical method. Which indicates the adequacy of the proposed method of calculation..

Keywords: two-stroke engine, numerical method for decay of an arbitrary discontinuity, dynamic setting of the exhaust.

Описание специфики работы двухтактного двигателя и настроенного выпуска.

Устройство двухтактного двигателя сильно отличается от четырехтактного. Главным образом - отсутствием газораспределительного механизма. За один ход поршня к НМТ совершатся полезный ход, выпуск и впуск (продувка). Во время продувки топливовоздушная смесь, поступающая из кривошипной камеры через продувочные окна, попадает в цилиндр, в то время как отработавшие газы выходят через выпускное окно (рисунок 1).

Рисунок 1. Продувочный цикл

В начале продувки бывает недостаточный перепад давления для быстрой очистки и наполнения цилиндра, а в конце часть топливовоздушной смеси выходит через выпускное окно вместе с отработавшими газами.

Чтобы не допустить данные явления и тем самым улучшить коэффициент наполнения, выпускную систему настраивают, другими словами, проектируют трубу переменного сечения - «резонатор».

Данная труба обладает двумя свойствами:

- помогает очистке цилиндра на ранних стадиях выпуска

- возвращает часть топливовоздушной смеси, что вылетела в трубу

Рисунок 2. Волна отрицательного давления

Рисунок 3. Отражение волны

На первой стадии выпуска резонатор создает волну отрицательного давления, тем самым способствуя очистке цилиндра и создавая в нем зону низкого давления для качественной продувки.

Returning Positive Pressure Waves

Рисунок 4. Запирание выпускного окна

На второй стадии волна давления из цилиндра взаимодействует с сужающейся частью выпускной системы и создает волну положительного давления, которая, в свою очередь, приходя к цилиндру возвращает свежую топливовоздушную смесь и «запирает» выпускное окно. Тем самым увеличивается наполнение цилиндра.

Эта система в зависимости от настройки работает по-разному. Чтобы добиться максимальной эффективности, ее настраивают на узкий диапазон оборотов двигателя. Соответственно, чем шире диапазон оборотов - тем ниже эффективность данного устройства. Чаще всего систему настраивают на максимальную мощность.

Fresh Mixture Pulled into Header

Алгоритм расчета параметров в трубе.

Для численного моделирования в системе был выбран линеаризованный метод распада произвольного разрыва (схема С.К. Годунова).

Отличительной особенностью метода является то, что для аппроксимации значений параметров на границе между соседними ячейками используется аналитическое решение задачи о распаде произвольного разрыва.

Рисунок 5. Распад произвольного разрыва

Метод РПР, как и другие консервативные численные методы газовой динамики, на заключительном этапе опирается на систему базовых интегральных уравнений, выражающих основные законы сохранения - массы, импульса (количества движения) и энергии:

Здесь: х, 1 - система координат расстояние-время, р, р, Т, V, Я, ср, су, е=и+у2/2, рт, aw, Тс, Б - соответственно давление, плотность, температура, скорость потока, газовая постоянная, изобарная и изохорная теплоемкости, удельная энергия (сумма отнесенных к единице массы внутренней и = суТ, и кинетической у2/2 энергий), коэффициенты трения и теплоотдачи в стенку канала, температура стенки канала и гидравлический диаметр канала (в случае круглого трубопровода равен его внутреннему диаметру).

При переходе к конечно-разностной записи для контура произвольной 1-й ячейки конечно-разностная форма записи уравнений (1-3) имеет вид:

ГП + 1

Перед определением перетоков массы, полного импульса и энергии необходимо выполнить расчетную процедуру распада произвольного разрыва на границе 1-1/2, что позволит определить потоковые давление и скорость через границу:

На правой і+1/2 границе ячейки расчет потоковых параметров производится аналогично.

Далее осуществляется переход к следующему временному слою. Далее цикл повторяется. В результате расчета должна получиться картина движения волны сжатия от левого конца трубы к правому, отражение назад в виде волны разрежения. После многократного прохода волн вперед и назад с постепенным затуханием должен установиться режим стационарного протока в трубе при исходном перепаде давлений между входом и выходом.

На базе описанного алгоритма была составлена программа для численного моделирования нестационарного течения в выпускном трубопроводе экспериментальной установки с двигателем Урал 2Т. На рис. 6 представлен вид экспериментальной установки с двигателем.

Рисунок 6. Экспериментальная установка

На выпускном трубопроводе был установлен датчик ИПДИ, который на режиме 2850 об/мин зафиксировал картину колебаний давления (рис. 8).

Датчик избыточного давления ИПДИ установлен на расстоянии 130 мм от фланца выпускного окна на стенке цилиндра двигателя.

В верхней части рисунка 9 представлены результаты снятия экспериментальных данных, а снизу - данных, полученных численным методом.

Рисунок 7. Зависимость давления от времени в месте установленного датчика и месте выбранной ячейки соответственно.

В верхней части рисунка 9 представлены результаты экспериментальной записи давления, в нижней - результаты расчетов.

Вывод. Удовлетворительное согласование результатов расета и эксперимента свидетельствует о том, что данная методика может быть использована для практического моделирования нестационарных газодинамических процессов в системе газообмена двигателей и выполнять динамическую настройку его впускных и выпускных систем.

двигатель давление заряд линеаризованный

Использованные источники

1. Гришин Ю.А., Клименко С.А., Круглов М.Г. Динамический наддув дизелей. 7Ьогшк prednasok. Мotor-Sympo- 1984, УуБоке Та1гу, 1984.

2. Численное решение многомерных задач газовой динамики / С.К. Годунов,

3. А.В.Забродин, М.Я.Иванов, А.Н.Крайко, Г.П.Прокопов.: Наука,1976.-400 с.

4. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Численные методы тазовой динамики: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1987. 232 с.

5. Рождественский Б.Л., Яненко Н.Н. Системы квазилинейных уравнений.-М.: Наука, 1978.- 688 с.

Размещено на Allbest.ru