Улучшение газодинамических и расходных характеристик поршневого ДВС за счет модернизации выпускного коллектора

В данной работе рассмотрено влияния конфигурации выпускного коллектора на газодинамические и расходные характеристики. Представлены графические зависимости скорости и давления потока воздуха от угла поворота коленчатого вала.
Работа содержит в себе большое количество таблиц, схем, графиков, диаграмм, рисунков, расчетов, формул. ...

Задание на проектирование 4
Реферат 5
Перечень листов графических документов 6
Введение 7
1 Общие сведения о выпускных системах и показателях газообмена 8
1.1 Требования к выпускным системам 8
1.2 Показатели, характеризующие процесс выпуска 9
1.3 Конструкции выпускных систем 12
1.4 Усовершенствования процесса выпуска 22
2 Моделирование в программном комплексе Дизель-РК 24
2.1 Математические модели программы Дизель-РК 25
2.2 Моделирование процесса выпуска в программном комплексе Дизель-РК 28
3 Экспериментальная установка и средства измерения 36
3.1 Схема установки и системы сбора экспериментальных данных 36
3.2 Описание экспериментальной установки 36
3.3 Методы обработки экспериментальных данных 39
4 Газодинамика и расходные характеристики в выпускном коллекторе 48
4.1 Газодинамика в цилиндрической трубе 49
4.2 Газодинамика в трубе квадратного поперечного сечения 55
4.3 Газодинамика в трубе треугольного поперечного сечения 61
4.4 Расходные характеристики 66
5 Совершенствование процессов выпуска 69
5.1 Эжекция 69
5.2 Выпускная система с сопротивлением 77
6 Безопасность жизнедеятельности 82
6.1 Введение 82
6.2 Безопасность проекта 83
6.3 Электробезопасность 83
6.4 Гигиеническая оценка условий и характера труда 83
6.5 Пожарная безопасность 91
6.6 Чрезвычайные ситуации 92
6.7 Выводы 94
7 Природопользование и охрана окружающей среды 95
8 Экономическая часть 98
8.1 Общие сведения 98
8.2 Исходные данные 99
8.3 Расчёт себестоимости проектируемого двигателя 99
8.4 Оценка целесообразности производства модернизированного двигателя 100
8.5 Расчет эксплуатационных затрат 103
9 Технологическая часть 107
9.1 Описание выпускного клапана 107
9.2 Расчёт размерной цепи 108
Заключение 119
Список литературы 120

Значительное повышение энергетических и экономических показателей поршневых ДВС достигнуто в последние годы в результате совершенствования процессов газообмена, смесеобразования, сгорания и тепловыделения. При этом существует еще значительный резерв повышения технико-экономических показателей двигателей за счет улучшения газодинамических характеристик газовоздушных трактов.
Сведения о динамике изменения скорости потока и расходных характеристиках в выпускной системе поршневого ДВС в реальных условиях (пульсирующий поток) весьма ограничены. Традиционно для обеспечения равномерного поля скоростей в выпускной системе поршневых ДВС в основном применяют каналы с круглой или слегка овальной формой поперечного сечения. Вместе с тем известно, что в каналах лишенных полной симметрии возникают сложн ые, устойчивые вихревые течения, которые могут повлиять на газодинамику и расходные ..................

Этот оператор плавно соединяет точки с помощью кривой полинома третьего порядка, которая проходит через экспериментальные точки. Создание непрерывной функции является необходимым условием для дальнейших расчетов. Так как далее эта функция подвергается интегрированию для вычисления среднего значения скорости потока воздуха через нужное сечение. Отметим, что использование программы MathCAD помогает унифицировать расчеты, тем самым помогая экономить время на обработку экспериментальных данных.Рисунок 3.9 – Окно программы MathCADc алгоритмом обработкиНа рисунке 3.10 в блоке «создание массив для построения графика в программе компас 3D» задан алгоритм для унификации всех экспериментально полученных графиков. Т.е. все графики обрабатываются таким образом, что координата времени заменяется на соответствующую ей в данный момент координату угла поворота коленчатого вала. Таким образом, это позволяет наглядно представлять зависимости с разной частотой вращения (а значит, и с разным временным промежутком цикла) на одном графике. Отметим, что в этом блоке уменьшается количество используемых точек для построения графика. Оно равно 1440, т.е. через каждые 0,5° поворота коленчатого вала.В следующем блоке вычислений «Вычисление средней скорости и расхода воздуха через сечение трубы» задан одноименный алгоритм. Первые две строки означают пределы интегрирования, т.е. временной промежуток, начинающийся от начала открытия и до конца закрытия выпускного клапана. Здесь учитываются фазы газораспределения. Т.е. учитывается то, что выпускной клапан открывается за 47° до НМТ и закрывается через 17° после ВМТ. Средняя скорость потока вычисляется по формуле среднего значения функции на отрезке . Массовый расход воздуха получаем путем умножения средней скорости потока на площадь поперечного сечения трубы и плотность потока при данном давлении. Плотность потока вычисляется по уравнению состояния идеального газа ,где изменяется в пределах от 50 до 200кПа, удельная газовая постоянная для воздуха R=287 Дж/кг∙К, температура воздуха T=293 К. Далее по этому же алгоритму рассчитываются опыты с частотами n=1500 и 3000 об/мин. После этого в последнем блоке формируется файл с данными об изменении массового расхода в зависимости от частоты вращении коленчатого вала (рисунок3.11).Рисунок 3.10 – Окно программы MathCAD с алгоритмом обработки (продолжение)Рисунок 3.11 – Формирование зависимости расхода воздуха от частоты вращения коленчатого валаЭто необходимо сделать для последующего сравнения зависимостей расхода воздуха при разных давлениях в выпускном канале и разных профилях самих каналов. Далее эти зависимости будут построены в программе MSExcel. Для оформления результатов расчетов в соответствии с ЕСКД графики будут построены средствами программы КОМПАС 3D.По этой же методике обрабатываются результаты опытов с другими профилями выпускных каналов. Сигналы с датчикатермоанемометра для определения скорости и давления также обрабатываются по подобным методикам.4Газодинамика и расходные характеристики в выпускном коллектореГазодинамика в выпускном коллекторе характеризуется скоростью и давлением потока воздуха.Чтобы изучить явления, происходящие в выпускном коллекторе необходимо получить и проанализировать зависимости значения мгновенной скорости и давления от угла поворота коленчатого вала. По полученным зависимостям были построены графики зависимости скоростиw и давленияPg от угла поворота коленчатого вала φпри различных давлениях на вsпускеPb и при различных частотах вращения коленчатого вала, показанные на рисунках 4.1 – 4.12. Использование графиков очень удобно для дальнейшего анализа, так как на них наглядно видны форма зависимости, наличие пульсаций и флуктуаций скорости и давления потока. Также графики удобны для сравнения: их можно накладывать друг на друга, что позволяет сравнивать форму кривых, а также значения величин. В качестве выпускного коллектора используются профилированные вставки круглого, квадратного и треугольного поперечного сечения. Определив зависимость скорости потока воздуха от угла поворота коленчатого вала, можно построить расходные характеристики. Чем выше расход воздуха через выпускной коллектор, тем эффективнее выпускная система, тем лучше очищение цилиндров от отработавших газов: уменьшается коэффициент остаточных газов, увеличивается коэффициент наполнения, в результате повышается общий КПД двигателя.4.1 Газодинамика в цилиндрической трубеабвРисунок 4.1 – Зависимость давления pgи скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе круглого сечения при рb=50 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 4.2 – Зависимость давления pgи скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе круглого сечения при рb=100 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 4.3 – Зависимость давления pgи скорости потока воздуха wввыпускном трубопроводе круглого сечения при рb=150 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 4.4 – Зависимость давления pgи скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе круглого сечения при рb=200 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минНа рисунках 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 видно, что при открытии выпускного клапана происходит резкий рост скорости и давления воздуха в выпускном трубопроводе, далее воздух истекает со скоростью, которая колеблется около среднего значения 6 – 10 м/с, при этом с ростом частоты вращения коленчатого вала происходит снижение амплитуды колебания скорости.Также с ростом частоты вращения двигателя наблюдается снижение примерно на 40 м/с максимальной скорости потока воздуха в выпускном трубопроводе и пульсаций. Максимальноедавление с ростом частоты возрастает, его пульсации сглаживаются, а амплитуда колебаний увеличивается. При повышении давления воздуха подаваемого в цилиндр скорость и её пульсации возрастают. Пульсации давления в выпускном канале также увеличиваются.Сравним графики, полученные в программном комплексе Дизель-РК и при проведении исследований на экспериментальной установке.Сравним зависимости скорости потока воздуха от угла поворота коленчатого вала при различных значениях давлениях на впуске и при различных частотах вращения коленчатого вала.Общий вид графиков совпадает (рисунки2.1, 2.2, 2.3, 4.1, 4.2, 4.3, 4.4), однако, на графиках, полученных в Дизель-РК, отсутствуют пульсации после закрытия выпускного клапана. Это объясняется тем, что Дизель-РК производит расчёт только от открытия до закрытия выпускного клапана. В отличие от экспериментальных данных, на графиках, полученных в Дизель-РК, максимальная скорость возрастает с увеличением частоты вращения коленчатого вала.Сравним зависимости давления потока воздуха от угла поворота коленчатого вала при различных значениях давлениях на впуске и при различных частотах вращения коленчатого вала. На графиках, полученных в программе Дизель-РК, при частотах вращения коленчатого вала 1000, 1500 об/мин наблюдается множество флуктуаций, при этом имеются только две ярко выраженные пульсации. На графиках, полученных экспериментальным методом, имеются пульсации, которые постепенно затухают, а колебания в выпускном коллекторе сохраняются после закрытия выпускного клапана. Также форма зависимости в каждом другом цикле незначительно изменяется, а на графиках, полученных в программе Дизель-РК этого не происходит, возможно из-за того что не учитывается взаимное влияние потоков воздуха в выпускном коллекторе от предыдущих циклов двигателя.Графики, полученные в Дизель-РК расчётным методом и в лаборатории экспериментальным методом, имеют схожую форму зависимости.4.2 Газодинамика в трубе квадратного поперечного сеченияТрадиционно для обеспечения равномерного поля скоростей в выпускной системе поршневых ДВС в основном применяют каналы с круглой или слегка овальной формой поперечного сечения. Вместе с тем известно, что в каналах лишенных полной симметрии возникают сложные, устойчивые вихревые течения [3], которые могут повлиять на газодинамику и расходные характеристики потока, поэтому мы провели эксперимент, применив профилированную вставку квадратного поперечного сечения. Результатами исследований стали графики зависимостей давления и скорости потока воздуха в выпускном трубопроводе квадратного сечения при различном давлении на выпуске и различных частотах вращения коленчатого вала (рисунки 4.5 – 4.8). абвРисунок 4.5 – Зависимость давления pgи скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе квадратного сечения при рb=50 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 4.6 – Зависимость давления pgи скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе квадратного сечения при рb=100 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 4.7 – Зависимость давления pgи скорости потока воздуха wввыпускном трубопроводе квадратного сечения при рb=150 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 4.8 – Зависимость давления pgи скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе квадратного сечения при рb=200 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минСравним графики скорости и давления воздуха в выпускном коллекторе для труб круглого и квадратного поперечного сечения (рисунки 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8).Рассмотрим зависимости скорости потока воздуха от угла поворота коленчатого вала при различных значениях давлениях на впуске и при различных частотах вращения коленчатого вала. Максимальные значения скорости ниже примерно на 30 % в трубе с квадратным поперечным сечением. Однако пульсаций после преодоления поршнем нижней мёртвой точки значительно меньше. И они имеют меньшую амплитуду. С ростом частоты вращения коленчатого вала пульсации снижаются как в трубе круглого, так и квадратного поперечного сечения. Возможно это происходит из-за того что закрытие выпускного клапана, при высоких оборотах, происходит за очень короткий промежуток времени и клапан не передаёт такой сильный импульс потоку воздуха.Сравним зависимости давления потока воздуха от угла поворота коленчатого вала при различных значениях давлениях на впуске и при различных частотах вращения коленчатого вала. Максимальные значения давления в трубе с квадратным поперечным сечением также нижена25 – 30 % в зависимости от режима двигателя. При оборотах двигателя 600 об/мин наблюдаются сильные пульсации в трубах круглого и квадратного поперечного сечения. Однако при дальнейшем росте оборотов коленчатого вала в трубе квадратного сечения пульсации снижаются, также после закрытия выпускного клапана они интенсивно затухают, в отличие от трубы круглого поперечного сечения.4.3 Газодинамика в трубе треугольного поперечного сеченияТакже были проведены исследования для профилированной вставки треугольного поперечного сечения. Результаты экспериментов представлены на (рисунки 4.9 – 4.13).абвРисунок 4.9 – Зависимость скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе треугольного сечения при рb=50 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 4.10 – Зависимость скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе треугольного сечения при рb=100 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 4.11 – Зависимость скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе треугольного сечения при рb=150 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 4.12 – Зависимость скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе треугольного сечения при рb=200 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минСравнимтечение воздуха в выпускной трубе треугольного и круглого поперечного сечения.Максимальная скорость истечения воздуха ниже в трубе треугольного сечения. Наблюдается незначительное снижение пульсаций при 3000об/мин коленчатого вала, при различных давлениях воздуха на выпуске. На участке примерно от открытия выпускного клапана до нижней мёртвой точки, пульсации больше по сравнению с трубой круглого поперечного сечения.4.4 Расходные характеристикиУвеличение расхода воздуха через выпускную систему является одной из главных задач. Чтобы сравнить, как измениться расход воздуха в зависимости от формы поперечного сечения рассмотрим графики зависимости расхода воздуха от частоты вращения двигателя (рисунки4.13).абРисунок 4.13 – Зависимость расхода воздуха Q и частоты вращения коленчатого вала n в выпускном трубопроводе: 1 – круглого; 2 – квадратного; 3 – треугольного поперечного сечения при различном давлении:а – рb=100 кПа; б – рb=200 кПаВ пульсирующих потоках в круглых каналах отсутствуют продольные вихревые структуры, стабилизирующие течение, и поэтому в них возникают застойные зоны, снижающие количество воздуха, покидающего цилиндр двигателя. Поэтому необходимо стабилизировать пульсирующий воздушный поток в системе выхлопа двигателя за выпускным окном в головке цилиндра, что позволит увеличить объемный расход газа через нее и повысит мощность двигателя.Обработка экспериментальных данных для выпускного канала с квадратным поперечным сечением в условиях постоянного давления рb показала, что в данном случае объемный расход линейно возрастает с увеличением частоты вращения коленчатого вала. При этом объемный расход воздуха через «квадратный» выпускной канал больше в среднем на 25 % по сравнению с цилиндрическим каналом. Возможно, обсуждаемый эффект вызван стабилизирующим влиянием турбулентных вихревых структур, образующихся в углах квадратного канала. Увеличение объёмного расхода воздуха должно привести к лучшей очистке цилиндра от отработавших газов и повышениюКПД двигателя в целом.Технический результат, достигаемый применением предлагаемой системы выхлопа, заключается в увеличении расхода отработавших газов через выхлопную систему, т.е. улучшении процесса продувки цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания и в увеличении его мощности во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала. Это достигается тем, часть выпускного коллектора предпочтительно не менее 40% общей его протяженности выполнена профилированной с поперечным сечением в виде квадрата с эквивалентным гидравлическим диаметром, равным эквивалентному гидравлическому диаметру выпускного окна в головке цилиндра, при этом продольная ось симметрии поперечного сечения профилированного участка совпадает с осью коллектора выпускного.Выполнение части системы выхлопа с выпускным коллектором с поперечным сечением в форме квадрата и с длиной участка не менее 40% от общей его длины позволяет изменить структуру пульсирующего потока и стабилизировать поток за счет создания продольных вихрей, что способствует увеличению расхода газа через систему выхлопа (улучшает процесс продувки) и повышению мощности двигателя.На использование профилированной вставки с поперечным сечением в виде квадрата имеется патент на полезную модель [4].Применение профилированной вставки треугольного поперечного сечения не дала ощутимого результата. При давлении на впускерb=100 кПа расход воздуха ниже во всём диапазоне оборотов двигателя. Однако при давлении на впуске рb=200 кПа в диапазоне оборотов600 – 1500 об/мин значения величины расхода выше, чем в трубе круглого поперечного сечения и приблизительно равны значениям для профилированной вставки квадратного поперечного сечения. Дальнейшее повышение оборотов двигателя приводит к снижению расхода воздуха.5 Совершенствование процессов выпуска5.1 ЭжекцияДля того, чтобы найти способ увеличения расхода воздуха на выпуске были проведены эксперименты: применение профилированной вставки круглого, квадратного и треугольного поперечного сечения. Наилучший результат был достигнут для трубы с поперечным сечением в виде квадрата.Следующим этапом стало исследование трубы круглого поперечного сечения, в которую была помещена трубка, через которую подавался сжатый воздух. Схема рассматриваемой выпускной системы представлена на рисунке 5.1.Эксперименты проводились с двумя вариантами расхода воздуха через трубку q1=0,028 м3/с иq2=0,099 м3/с (рис 5.2 – 5.5).Рисунок 5.1 – Схема выпускного тракта экспериментальной установки с эжекцией:1 – цилиндр-камера; 2 – головка цилиндров; 3 – выпускной клапан; 4 – рабочий участок – профилированная труба; 5 – датчики термоанемометраL – длина выпускной трубы; L1-3 – расстояния до мест установки датчиков термоанемометра от выпускного окна; 6 – трубка с дополнительным расходомабвРисунок 5.2 – Зависимость скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе круглого сечения с эжекцией q1=0,028 м3/с при р=100 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 5.3 – Зависимость скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе круглого сечения с эжекцией q1=0,028 м3/с при р=200 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 5.4 – Зависимость скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе круглого сечения с эжекцией q2=0,099 м3/с при р=100 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минабвРисунок 5.5 – Зависимость скорости потока воздуха wв выпускном трубопроводе круглого сечения с эжекцией q2=0,099 м3/с при р=200 кПа и различных частотах вращения коленчатого вала:а – n=600 об/мин; б – n=1500 об/мин; в – n=3000 об/минПроанализируем графики зависимостей скорости потока воздуха от угла поворота коленчатого вала при различном давлении на выпуске и различных оборотах коленчатого вала (рисунки 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5).На графиках с дополнительным расходом q1=0,028 м3/с наблюдается значительное снижение пульсаций, при этом максимальные значения скорости также возрастают во всём диапазоне частот коленчатого вала и давлений на впуске относительно максимальных скоростей в трубе круглого поперечного сечения без эжекции. При давлении на впуске рb=200 кПа, значения максимальных скоростей при различных частотах вращения двигателя практически одинаковы и составляют 105 м/с. Возможно, это можно объяснить тем, что дополнительная струя воздуха выравнивает поток (сглаживает пульсации), тем самым повышая примерно на 10 % максимальные скорости.При повышении расхода воздуха через эжектор q2=0,099 м3/сзначения максимальных скоростей практически не изменяются по сравнению со скоростями при q1=0,028 м3/с, но сохраняются на большем промежутке угла поворота коленчатого вала. Пульсации в трубопроводе с эжекцией q2 выше, чем в трубе круглого поперечного сечения. Некоторое их снижение происходит с ростом оборотов коленчатого вала. После закрытия выпускного клапана выравнивание потока воздуха происходит лишь на частоте 3000 об/мин.Для оценки общей эффективности выпускной системы при использовании эжекции с различной величиной расхода, проанализируем графики (рисунок 5.6).абРисунок 5.6 – Зависимость расхода воздуха Q и частоты вращения коленчатого вала n в выпускном трубопроводе: 1 – круглого поперечного сечения; 2 – с эжекцией q1=0,028 м3/с; 3 – с эжекцией q2=0,099 м3/спри различном давлении: а – рb=100кПа; б – рb=200 кПаИз представленных зависимостей видно, что при давлении на впуске 100 кПа наиболее эффективной является труба круглого поперечного сечения. При расходе q2 при частоте вращения коленчатого вала 1500 об/мин происходит увеличение расхода, в то время как в трубопроводе круглого поперечного сечения и в трубопроводе с дополнительным расходом q1происходит спад. При повышении давления на впуске до200 кПа, наиболее эффективным оказывается трубопровод с дополнительным расходом q2.