Simulation of mixing in engine with split charge in a cylinder

Full Text

В настоящее время большое внимание уделяется улучшению топливной экономичности и снижению концентрации вредных веществ в отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием. Для решения этих задач применяется расслоение заряда в цилиндре двигателя, которое подразумевает подачу топлива и воздуха в цилиндр так, чтобы к моменту воспламенения обогащенная топливовоздушная смесь оказалась вблизи свечи зажигания, а обедненная смесь вплоть до чистого воздуха - в противоположной зоне камеры сгорания. Богатая смесь в районе свечи зажигания легко воспламеняется и быстро сгорает, вызывая нарастание температуры и давления в камере сгорания, что способствует сгоранию бедной смеси. Таким образом, расслоение заряда позволяет эффективно сжигать заряд, состоящий из бедной смеси, что улучшает топливную экономичность и позволяет снизить концентрацию вредных веществ в ОГ [1]. Для исследования смесеобразования в ДВС с расслоением заряда могут быть использованы оптические методы исследования. Отличительной особенностью этих методов является отсутствие зондов и пробоотборников, влияющих на распределение потоков в цилиндре. Визуализация смесеобразования позволяет получать картины реального распределения потоков в камере сгорания (КС) и дает возможность детального исследования процесса смесеобразования. Системы фото- и видеосъемки позволяют наблюдать процессы смесеобразования в динамике при различных расходах расслоенного заряда через цилиндр. Целью данной работы являлось получение картин смесеобразования в цилиндре при тангенциальном подводе заряда в зависимости от расхода воздуха. В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи: · разработан процесс смесеобразования для ДВС с расслоением заряда в цилиндре; · изготовлены детали системы впуска для подвода в цилиндр расслоенного заряда; · разработана и изготовлена установка для моделирования смесеобразования; · проведены исследования по моделированию смесеобразования с визуализацией расслоения заряда в цилиндре. Для проведения исследований была изготовлена экспериментальная головка цилиндра с тангенциальным впускным каналом, которая состояла из двух частей, в каждой из которых были выполнены части впускного и выпускного каналов, а также полости системы охлаждения (рисунок 1). Половины головки были соединены, и в нее были установлены впускной и выпускной клапаны, а также перегородка во впускной канал. Конструкция впускного канала показана на рисунок 2. Система впуска включала впускную трубу с двумя отдельными каналами, соединенными с двумя карбюраторами К-127 (рисунок 3). Для визуализации смесеобразования было решено использовать метод «лазерного ножа» [2]. Метод заключается в том, что поток, содержащий мелкие светоотражающие частицы, проходит через лазерную плоскость («лазерный нож»), образованную пропусканием лазерного луча через короткофокусную линзу. Полученное на лазерной плоскости изображение фиксируется фотосъемкой на высокочувствительную пленку или при помощи кинокамеры выводится на экран монитора. Рисунок 1. Экспериментальная головка цилиндра Рисунок 2. Конструкция впускного канала Рисунок 3. Впускная труба и карбюраторы для подвода в выделенный цилиндр расслоенного заряда Исследовательская установка (рисунок 4) содержала стеклянный цилиндр 1 с внутренним диаметром 100 мм и высотой 100 мм, к которому крепилась экспериментальная головка 2 с впускной трубой 8. Через карбюратор 5 в цилиндр поступал чистый воздух, а через карбюратор 6 - дым, получаемый путем нагрева древесных опилок, находившихся в баке 13, паяльной лампой 14. В процессе исследований дым, имеющий большую температуру и меньшую плотность, моделировал чистый воздух или бедную смесь, а чистый воздух, имеющий большую плотность - богатую смесь. Расходы воздуха через карбюраторы 5 и 6 изменялись заслонками 4 и 7 и измерялись газовыми счетчиками 10 и 11 модели РГ-40. Цилиндр 1 через перфорированную шайбу 22 и магистраль 21, снабженную заслонкой 20 и запорным краном 19, сообщался с баком 18, соединенным с вакуумным насосом 17. Регулирование положения заслонки 20 имитировало изменение скоростного режима работы двигателя, а изменение положения дроссельных заслонок 4 и 7 позволяло имитировать работу двигателя при различной нагрузке. Лазерная плоскость 9 образовывалась при прохождении луча лазера 16 через цилиндрическую кварцевую короткофокусную линзу 15. Плоскость направляли на электрод свечи зажигания 3 под наклоном для обеспечения возможности фото- и видеосъемки. Рисунок 4. Схема исследовательской установки: 1 - стеклянный цилиндр; 2 - головка цилиндра; 3 - свеча зажигания; 4, 7 дроссельные заслонки; 5 - карбюратор для подачи богатой смеси; 6 - карбюратор для подачи бедной смеси; 8 - впускная труба; 9 - лазерная плоскость; 10, 11 - счетчики РГ-40; 12 - заслонка; 13 - бак с опилками; 14 - паяльная лампа; 15 - линза; 16 - лазер; 17 - вакуумный насос; 18 вакуумный бак; 19 - запорный кран; 20 - заслонка; 21 - вакуумная магистраль; 22 - перфорированная шайба Для работы экспериментальной установки закрывали запорный кран 19 и откачивали воздух из бака 18 насосом 17. Выставляли заслонку 20 в положение, соответствующее требуемому расходу заряда GвΣ, поступающему в цилиндр при работе двигателя по внешней скоростной характеристике. Изменением положения заслонки 4 можно было регулировать расход воздуха Gв1 через смесевой канал, а изменением положения заслонки 7 - расход воздуха Gв2 через воздушный канал. Включали лазер, открывали запорный кран 19, и через открытый впускной клапан в цилиндр 1 начинали поступать воздух и дым. Картина смесеобразования фотографировалась на светочувствительную пленку РФЗ. Время экспозиции при мощности лазера 1,5-3 Вт составляло 2 мс. В результате моделирования было установлено, что картина расслоения в КС зависит от суммарного расхода воздуха в заряде GвΣ и от расхода воздуха Gв1, поступающего в цилиндр по «смесевому» каналу. Отношение расхода воздуха через «смесевой» канал к общему расходу воздуха можно охарактеризовать коэффициентом расслоения ξ: , где: Gв1 - расход воздуха через «смесевой» канал; GвΣ - общий расход воздуха через цилиндр. Коэффициент ξ определяет не только энергию вихрей, но и формирует картину концентрационных полей при впуске в цилиндр. При увеличении ξ возрастает интенсивность вихревого движения, а при его уменьшении увеличивается расслоение заряда в цилиндре. Результаты моделирования смесеобразования показаны на рисунке 5. Рисунок 5. Результаты моделирования смесеобразования: а - фотография смесеобразования при GвΣ = 24 м3/ч, ξ = 0,455; б - картина смесеобразования при GвΣ = 24 м3/ч, ξ = 0,455; в - фотография смесеобразования при GвΣ = 48 м3/ч, ξ = 0,455; г - картина смесеобразования при GвΣ = 48 м3/ч, ξ = 0,455 В результате опытов было установлено, что при малых расходах GвΣ в цилиндре наблюдаются три вихря: вихрь богатой смеси 1, вихрь промежуточной смеси 2 и вихрь бедной смеси 3 (рисунок 5, а). Вихрь богатой смеси образован на периферии камеры сгорания, и его направление задается профилем впускного канала. В центре камеры сгорания имеет место частичное перемешивание бедной и богатой смеси (дыма и воздуха) с образованием вихря, направленного в противоположную сторону от вихря 1. Под впускным клапаном образуется вихрь бедной смеси 3. Вихри вписаны в КС, а под большим вытеснителем наблюдается застойная зона. При резкой отсечке впуска (закрытии заслонки 20) в цилиндре сохранялось вихревое движение заряда. Следует отметить, что при подводе заряда только по «смесевому» каналу на периферию КС движение заряда определялось тангенциальным направлением этого канала, а при подводе заряда только по «воздушному» каналу направление движения заряда в цилиндре менялось на противоположное. Высокая контрастность картины течения в КС указывала на малое перемешивание воздуха и дыма. Можно отметить, что «обогащенная смесь» (чистый воздух) скапливается возле стенок КС. При полном открытии дроссельных заслонок в цилиндре происходит слияние вихрей в один общий: "чистый воздух" (дым) 3 концентрируется на оси цилиндра, а богатая смесь 1 - на периферии (рисунок 5, б). Выводы Изготовлена исследовательская установка, позволившая применить оптический метод исследования смесеобразования в цилиндре ДВС с расслоением заряда. Проведено моделирование смесеобразования в ДВС с тангенциальным подводом в цилиндр расслоенного заряда с визуализацией потока. В результате исследования установлено влияние суммарного расхода воздуха через цилиндр GвΣ и расхода воздуха Gв1 через смесевой канал на вихревое движение заряда и формирование картины его расслоения в цилиндре. Доказана возможность получения устойчивого расслоения заряда при использованной организации процесса впуска.

About the authors

I. V. Kuznetsov

Moscow State Industrial University (MSIU); 30th Central Scientific Research Institute of the Ministry of Defence of the Russian Federation

Email: sam61@mail.msiu.ru
Dr.Eng., Prof.; +7-915-159-44-62

A. M. Sychev

Moscow State Industrial University (MSIU); 30th Central Scientific Research Institute of the Ministry of Defence of the Russian Federation

Email: sam61@mail.msiu.ru
+7-915-159-44-62

A. V. Denisov

Moscow State Industrial University (MSIU); 30th Central Scientific Research Institute of the Ministry of Defence of the Russian Federation

Email: sam61@mail.msiu.ru
Dr.Eng., Prof.; +7-915-159-44-62

References

Supplementary files