Белоконь К.Г.
Визуализация структуры течения во впускных и
выпускных каналах ДВС с использованием
теневого прибора ИАБ – 458
Эффективность работы ДВС в значительной мере зависит от совершенства процессов, протекающих во впускной и выпускной системах и, прежде всего, от конструкции впускных и выпускных каналов, определяющих их наи-более "узкое звено". Во впускном тракте наибольшие потери энергии сосредо-точены на участке перехода потока из коллектора в канал и в самом канале, и составляют до 90% от всех потерь на впуске. Для выпускного тракта до 50% от всех потерь на выпуск сосредоточено в клапанной щели и выпускном канале.
Характер потока в газовых каналах ДВС существенно зависит от их конструктивного исполнения. На структуру потока в каналах ДВС существен-ное влияние оказывает также форма поперечного сечения, неравномерность распределения поля скорости по сечению канала, нестационарность течения, геометрическая форма седла и клапана и т.д.
Потери энергии в каналах ДВС определяются главным образом отрыв-ными явлениями и вызванными ими зонами вихреобразования, уменьшающими эффективное проходное сечение канала. Поэтому, уменьшение потерь возмож-но за счет такого профилирования канала, при котором отрывные явления в ка-нале либо отсутствуют, либо сведены к минимуму. Течение в клапанной щели также имеет ярко выраженный отрывной характер. При этом наблюдается от-рыв потока газа как от кромок седла, так и от профиля тюльпана клапана. По-ложение места отрыва зависит от геометрии тарелки и седла клапана,, высоты подъема клапана, интенсивности турбулентности и структуры набегающего по-тока. Закругление кромок фасок седла и клапана приводит к заметному улуч-шению структуры потока в клапанной щели. При введении закруглений интен-сивность отрывных явлений в клапанной щели значительно уменьшается.
Выбор методов оценки и доводки газодинамических характеристик впускных и выпускных каналов ДВС определяется поставленными задачами и имеющимися экспериментальными возможностями. При разработке новой ГЦ и доводке характеристик существующих каналов широко используются методы безмоторных испытаний с проведением продувок моделей каналов в стацио-нарных условиях течения. При таких испытаниях широко используются методы визуализации структуры потока. Эти методы обладают большой наглядностью и, не требуя трудоемкой обработки, позволяют получить как качественную, так и количественную оценку течения.
Методы визуализации подразделяются на оптические и неоптические. Пер-вые – основаны на регистрации отклонения лучей, проходящих через среду при изменении плотности последней. Лучи света, направленные от источника, встречая на своем пути среду с переменной плотностью, отклоняются от перво-начального направления на различные углы. В результате на фоне наблюдае-мого поля получается картина перемежающихся теней, соответствующих изме-нению плотности среды. Эти изменения фиксируются на фотопленку.
В данной работе в качестве метода исследования использован метод Тепле-ра, основанный на принципе шлирен - метода (метода лазерного ножа).
Экспериментальная установка на базе теневого прибора ИАБ-458 для ви-зуализации структуры газового потока в моделях каналов ДВС представлена на рис.1. Визуализация течения проводилась на моделях каналов, выполненных в масштабе 2:1. Модель канала представлена на рис.2. Верхняя и нижняя обра-зующие моделей соответствуют медиальному сечению канала. Модели изго-тавливались из мелковолокнистой древесины, седла, для более точного воспро-изведения геометрии клапанной щели, изготовлены из гипса. Модели выкра-шены в матовый черный цвет. Вместо боковых стенок установлены полирован-ные кварцевые стекла. Расстояние между стенками составляло 0,4 d Г. - диамет-ра горловины седла клапана. В зоне клапанной щели клапан был плоским, а выше имел реальные очертания. При продувках моделей для всех подъемов клапана обеспечивался режим автомодельности по числу Рейнольдса. 
Рис.1 Экспериментальная установка для визуализации структуры течения в моделях каналов на базе теневого при-бора ИАБ – 458
На боковых стенках моделей установлены медные шины, к которым крепились тонкие нихромовые нити, выступающие на 2-2,5 мм в поток. На термоэлементы подавалось напряжение. В результате омывания воздушным потоком горячих нитей, за последними следуют струйки нагретого воздуха, которые с помощью прибора ИАБ-458 фиксируются на фотопленку. Измене-ние высоты подъема клапана осуществлялось микрометрическим винтом.
Методика проведения эксперимента заключалась в фотографировании структуры течения в моделях каналов для следующих подъемов клапана:
h КЛ = 3; 6 и 9 мм.
Результаты визуализации.
Структура течения во впускном канале для h КЛ = 3, 6 и 9 мм представлена на рис.3.
[ Рис.2. Модель канала. 1 - микрометрический винт; 2 - корпус модели; 3 - направляющая клапана; 4 – клапан; 5 – седло; 6 – термо-элемент; 7 – подводящий патрубок.
Анализ фотографий показывает, что течение в клапанной щели и канале имеет ярко выраженный струйный характер. Течение воздуха вдоль профиля канала и клапана для всех исследованных подъемов клапана практически безотрывное. На фотографиях отслеживается выраженный граничный слой толщиной 2-3 мм вдоль всего профиля канала. Следует отметить довольно значительный отра-женный от стебля и тюльпана клапана поток, более выраженный на средних и больших h КЛ. Таким образом, можно констатировать:
- отсутствие отрывных и локальных зон завихрения вдоль всего профиля канала и клапана для всех исследованных h КЛ
- хорошее согласование геометрии канала с профилированием де-талей клапанной щели, что обеспечивает равномерность распре-деления по тока по периметру щели
Структура потока в выпускном канале представлена на рис.4.
Структура потока в выпускном канале в корне отлична от течения во впу-скном, т.к. определяющим звеном является конструктивное исполнение седла и клапана, которые и определяют первоначальный поток.
h=3 мм
h=6 мм
h=9 мм Рис.3. Визуализация структуры течения во впускном канале опытного двигателя "Мо-сквич - 21413"
| Рис.4. Визуализация структуры тече-ния в выпускном канале опытного дви-гателя "Москвич - 21413"
|
На малых подъемах наблюдается ярко выраженный отрывной поток конической формы, образованный отрывом как от седла, так и клапана. Для средних и больших hКЛ картина аналогична, хотя структура потока изменяется, поток все более приближается к клапану, отрыв же от профиля канала остается. На вогнутой части канала образовывается ярко выраженная вихревая зона, ко-торая характерна в основном для средних и больших подъемов клапана. Нали-чие отрывов потока на выпуклой части и вихревой зоны на вогнутой части приводит к значительному уменьшению эффективного проходного сечения. За стеблем клапана наблюдается аэродинамический след, более выраженный при подъемах клапана h КЛ = 6 и 9 мм.
Таким образом, анализ показывает:
- наличие значительных отрывных зон как от профиля канала, так и
тюльпана клапана, а также зоны локального завихрения со стороны
вогнутой части канала, непосредственно за седлом для всех h КЛ
- неудачное профилирование совокупности деталей, образующих
входной участок выпускного канала, что приводит к существенному
уменьшению эффективного проходного сечения канала
Форма выпускного канала, спрофилированного с учетом визуализации течения в исходном варианте канала представлена на рис.5
Рис.5. Рекомендуемая форма выпускного ка-нала.
Основные изменения формы канала, седла и клапана: 1. спрофилировано седло и клапан (седло выполнено конусным, профилировано фасками или радиусами, диаметр горловины седла клапана уменьшен до d Г =24 мм, на клапане, непосредственно за посадочной фаской введен конусный участок с углом 28-30 град.); 2. уменьшено выступание направляющей клапана в поток; 3. за направляющей клапана введен аэродинамический обтекатель; 4. изменена форма канала со стороны вогнутого участка, для уменьшения вихревой зоны этот участок выполнен конусным; 5. форма канала выполнена конфузорно - диффузорной.
Проведенные изменения формы выпускного канала, его седла и клапана позволят существенно улучшить его газодинамические характеристики.
Литература:
1. Драганов Б.Х. и др. Конструирование впускных и выпускных каналов двига-телей внутреннего сгорания / Б.Х. Драганов, М.Г. Круглов, В.С. Обухова – Киев: Высшая школа, - 1987.- 175с.
|
