Dinamika gas pipa knalpot resonan. Dinamika gas pipa knalpot resonan

UDC 621.436

PENGARUH RESISTENSI AERODINAMIKA SISTEM INTAKE DAN EXHAUST MESIN MOBIL TERHADAP PROSES PERTUKARAN GAS

L.V. Plotnikov, B.P. Zhilkin, Yu.M. Brodov, N.I. Grigoriev

Makalah ini menyajikan hasil studi eksperimental pengaruh drag aerodinamis sistem intake dan exhaust mesin piston pada proses pertukaran gas. Eksperimen dilakukan pada model skala penuh dari mesin pembakaran internal satu silinder. Instalasi dan teknik melakukan percobaan dijelaskan. Ketergantungan perubahan kecepatan sesaat dan tekanan aliran di jalur gas-udara mesin pada sudut putaran poros engkol disajikan. Data diperoleh pada berbagai koefisien resistensi inlet dan sistem pembuangan dan kecepatan poros engkol yang berbeda. Berdasarkan data yang diperoleh, ditarik kesimpulan tentang fitur dinamis proses pertukaran gas di mesin dalam berbagai kondisi. Terlihat bahwa penggunaan penekan kebisingan menghaluskan denyut aliran dan mengubah karakteristik aliran.

Kata kunci: mesin reciprocating, proses pertukaran gas, dinamika proses, laju aliran dan pulsasi tekanan, penekan kebisingan.

Perkenalan

Untuk sistem intake dan exhaust mesin piston pembakaran dalam sejumlah persyaratan diberlakukan, di antaranya yang utama adalah pengurangan kebisingan aerodinamis maksimum dan hambatan aerodinamis minimum. Kedua indikator ini ditentukan dalam kaitannya dengan desain elemen filter, peredam intake dan exhaust, catalytic converter, adanya boost (kompresor dan / atau turbocharger), serta konfigurasi pipa intake dan exhaust serta sifatnya. aliran di dalamnya. Namun, hampir tidak ada data tentang efeknya elemen tambahan sistem intake dan exhaust (filter, muffler, turbocharger) pada dinamika aliran gas di dalamnya.

Artikel ini menyajikan hasil studi tentang pengaruh resistensi aerodinamis sistem intake dan exhaust pada proses pertukaran gas dalam kaitannya dengan mesin piston dimensi 8.2/7.1.

Pengaturan eksperimental

dan sistem pendataan

Studi tentang pengaruh hambatan aerodinamis sistem gas-udara pada proses pertukaran gas dalam mesin pembakaran internal bolak-balik dilakukan pada model skala penuh dari mesin satu silinder berdimensi 8.2 / 7.1, digerakkan ke rotasi motor asinkron, kecepatan poros engkol yang diatur dalam kisaran n = 600-3000 mnt1 dengan akurasi ± 0,1%. Pengaturan eksperimental dijelaskan secara lebih rinci dalam .

Pada ara. 1 dan 2 menunjukkan konfigurasi dan dimensi geometris saluran masuk dan keluar dari pengaturan eksperimental, serta lokasi sensor untuk mengukur seketika

nilai kecepatan rata-rata dan tekanan aliran udara.

Untuk mengukur nilai tekanan sesaat pada aliran (statis) pada saluran px digunakan sensor tekanan £-10 dari WIKA yang waktu responnya kurang dari 1 ms. Kesalahan pengukuran tekanan rata-rata akar kuadrat relatif maksimum adalah ± 0,25%.

Anemometer hot-wire digunakan untuk menentukan kecepatan aliran udara sesaat wx suhu konstan desain asli, elemen sensitifnya adalah benang nichrome dengan diameter 5 mikron dan panjang 5 mm. Kesalahan akar-mean-kuadrat relatif maksimum dalam mengukur kecepatan wx adalah ± 2,9%.

Pengukuran kecepatan poros engkol dilakukan dengan menggunakan penghitung takometrik yang terdiri dari piringan bergigi yang dipasang poros engkol, dan sensor induktif. Sensor menghasilkan pulsa tegangan dengan frekuensi yang sebanding dengan kecepatan putaran poros. Pulsa ini digunakan untuk mencatat kecepatan putar, menentukan posisi poros engkol (sudut φ) dan momen piston melewati TDC dan BDC.

Sinyal dari semua sensor diumpankan ke konverter analog-ke-digital dan ditransfer ke komputer pribadi untuk diproses lebih lanjut.

Sebelum percobaan, dilakukan kalibrasi statis dan dinamis dari sistem pengukuran secara keseluruhan, yang menunjukkan kecepatan yang diperlukan untuk mempelajari dinamika. proses dinamis gas dalam sistem intake dan exhaust mesin piston. Total root-mean-square error percobaan pada pengaruh hambatan aerodinamis gas-udara sistem ICE pada proses pertukaran gas adalah ±3,4%.

Beras. Gambar 1. Konfigurasi dan dimensi geometris saluran masuk dari pengaturan eksperimental: 1 - kepala silinder; 2 - pipa saluran masuk; 3 - pipa pengukur; 4 - sensor anemometer hot-wire untuk mengukur kecepatan aliran udara; 5 - sensor tekanan

Beras. Gambar 2. Konfigurasi dan dimensi geometris saluran pembuangan dari pengaturan eksperimental: 1 - kepala silinder; 2 - bagian kerja - pipa knalpot; 3 - sensor tekanan; 4 - sensor termoanemometer

Pengaruh elemen tambahan pada dinamika gas dari proses masuk dan keluar dipelajari pada berbagai koefisien resistansi sistem. Resistensi dibuat menggunakan berbagai filter masuk dan keluar. Jadi, sebagai salah satunya, digunakan filter udara mobil standar dengan koefisien resistansi 7,5. Filter kain dengan koefisien resistansi 32 dipilih sebagai elemen filter lainnya Koefisien resistansi ditentukan secara eksperimental dengan tiupan statis dalam kondisi laboratorium. Studi juga dilakukan tanpa filter.

Pengaruh drag aerodinamis pada proses intake

Pada ara. 3 dan 4 menunjukkan ketergantungan laju aliran udara dan tekanan px di saluran intake

le dari sudut putaran poros engkol φ pada kecepatan yang berbeda dan saat menggunakan berbagai filter masuk.

Telah ditetapkan bahwa dalam kedua kasus (dengan dan tanpa peredam), denyut tekanan dan kecepatan aliran udara paling menonjol pada kecepatan poros engkol yang tinggi. Pada saat yang sama, di saluran masuk dengan peredam, nilainya kecepatan tertinggi aliran udara, seperti yang diharapkan, lebih sedikit daripada di saluran tanpa itu. Paling

m>x, m/s 100

Pembukaan 1 III 1 1 III 7 1 £*^3 111 o

Katup EGPC 1 111 II ty. [Tertutup . 3

§ P* ■-1 * £ l P-k

// 11" Y'\ 11 I III 1

540 (r.graE.p.k.y. 720 VMT NMT

1 1 Pembukaan -gbptssknogo-! katup A l 1 D 1 1 1 Tertutup^

1 jam Katup BPC "X 1 1

| |A J __ 1 \__MJ \y T -1 1 \ K /\ 1 ^ V/ \ / \ " W) y /. \ /L /L "Pch -o- 1\__ V / -

1 1 1 1 1 1 1 | 1 1 ■ ■ 1 1

540 (r.grO.p.k.b. 720 TDC nmt

Beras. Gambar 3. Ketergantungan kecepatan udara wх di saluran masuk pada sudut putaran poros engkol φ pada kecepatan poros engkol yang berbeda dan elemen filter yang berbeda: a - n = 1500 mnt-1; b - 3000 menit-1. 1 - tanpa filter; 2 - filter udara standar; 3 - filter kain

Beras. Gambar 4. Ketergantungan tekanan px pada saluran masuk pada sudut putaran poros engkol φ pada frekuensi putaran poros engkol yang berbeda dan elemen filter yang berbeda: a - n = 1500 min-1; b - 3000 menit-1. 1 - tanpa filter; 2 - filter udara standar; 3 - filter kain

ini terwujud dengan jelas pada kecepatan poros engkol yang tinggi.

Setelah menutup katup saluran masuk, tekanan dan kecepatan aliran udara di saluran dalam semua kondisi tidak menjadi sama dengan nol, tetapi beberapa fluktuasinya diamati (lihat Gambar 3 dan 4), yang juga merupakan karakteristik dari proses pembuangan ( Lihat di bawah). Pada saat yang sama, pemasangan peredam masuk menyebabkan penurunan denyut tekanan dan kecepatan aliran udara dalam semua kondisi, baik selama proses pemasukan maupun setelah menutup katup masuk.

Pengaruh aerodinamis

resistensi terhadap proses pelepasan

Pada ara. Gambar 5 dan 6 menunjukkan ketergantungan laju aliran udara wx dan tekanan px di saluran pembuangan pada sudut putaran poros engkol φ pada kecepatan poros engkol yang berbeda dan saat menggunakan berbagai filter pembuangan.

Studi dilakukan untuk kecepatan poros engkol yang berbeda (dari 600 hingga 3000 mnt1) pada tekanan berlebih yang berbeda di outlet p (dari 0,5 hingga 2,0 bar) tanpa dan dengan peredam.

Telah ditetapkan bahwa dalam kedua kasus (dengan dan tanpa peredam) denyut kecepatan aliran udara paling terasa pada kecepatan poros engkol rendah. Pada saat yang sama, di saluran pembuangan dengan peredam, nilai laju aliran udara maksimum tetap sama

kira-kira sama dengan tanpa itu. Setelah katup buang ditutup, laju aliran udara di saluran dalam semua kondisi tidak menjadi sama dengan nol, tetapi beberapa fluktuasi kecepatan diamati (lihat Gambar 5), yang juga merupakan karakteristik dari proses pemasukan (lihat di atas). Pada saat yang sama, pemasangan peredam knalpot menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam denyut kecepatan aliran udara dalam semua kondisi (terutama pada p = 2,0 bar) baik selama proses pembuangan maupun setelah menutup katup buang.

Perlu diperhatikan efek kebalikan dari hambatan aerodinamis terhadap karakteristik proses intake pada mesin pembakaran dalam, dimana saat digunakan penyaring udara efek pulsasi selama asupan dan setelah penutupan katup masuk hadir, tetapi memudar dengan jelas lebih cepat daripada tanpa itu. Pada saat yang sama, keberadaan filter dalam sistem intake menyebabkan penurunan laju aliran udara maksimum dan melemahnya dinamika proses, yang sesuai dengan hasil yang diperoleh sebelumnya di .

Peningkatan hambatan aerodinamis sistem pembuangan menyebabkan beberapa peningkatan tekanan maksimum dalam proses pelepasan, serta pergeseran puncak di luar TDC. Namun dapat dicatat bahwa pemasangan peredam knalpot menghasilkan pengurangan denyut tekanan aliran udara dalam semua kondisi, baik selama proses pembuangan maupun setelah katup buang ditutup.

S. m/s 118 100 46 16

1 1 c. T "AAi c t 1 Menutup katup MPC

Pembukaan Kental |<лапана ^ 1 1 А ікТКГ- ~/М" ^ 1

""" i | y i \/ ~ ^

540 (r, hornbeam, p.k.y. 720 NMT VMT

Beras. Gambar 5. Ketergantungan kecepatan udara wx di saluran pembuangan pada sudut putaran poros engkol φ pada kecepatan poros engkol yang berbeda dan elemen filter yang berbeda: a - n = 1500 min-1; b - 3000 menit-1. 1 - tanpa filter; 2 - filter udara standar; 3 - filter kain

Rx. 5PR 0,150

1 1 1 1 1 1 1 1 1 II 1 1 1 II 1 1 "A 11 1 1 / \ 1.', dan II 1 1

Pembukaan | yiptssknogo 1 _valve L7 1 h і _ / 7 / ", G y 1 \ H Menutup btssknogo G / KGkTї alan -

h-" 1 1 1 1 1 i 1 L L _l/ i i h/ 1 1

540 (r, peti mati, hal.6.720

Beras. Gambar 6. Ketergantungan tekanan px pada saluran pembuangan pada sudut putaran poros engkol φ pada frekuensi putaran poros engkol yang berbeda dan elemen filter yang berbeda: a - n = 1500 min-1; b - 3000 menit-1. 1 - tanpa filter; 2 - filter udara standar; 3 - filter kain

Berdasarkan pemrosesan ketergantungan perubahan laju aliran untuk satu siklus, perubahan relatif aliran udara volumetrik Q melalui saluran pembuangan dihitung saat peredam dipasang. Telah ditetapkan bahwa pada tekanan berlebih rendah di saluran keluar (0,1 MPa), laju aliran Q dalam sistem pembuangan dengan peredam lebih rendah daripada di sistem tanpa peredam. Pada saat yang sama, jika pada kecepatan poros engkol 600 mnt-1 perbedaan ini kira-kira 1,5% (yang terletak di dalam kesalahan), maka pada n = 3000 mnt-1 perbedaan ini mencapai 23%. Terlihat bahwa untuk tekanan berlebih yang tinggi sama dengan 0,2 MPa, tren sebaliknya diamati. Aliran volume udara melalui lubang pembuangan dengan peredam lebih besar daripada di sistem tanpa peredam. Pada saat yang sama, pada kecepatan poros engkol rendah, kelebihan ini adalah 20%, dan pada n = 3000 menit1 - hanya 5%. Menurut penulis, efek ini dapat dijelaskan dengan beberapa perataan pulsasi kecepatan aliran udara di sistem pembuangan dengan adanya peredam.

Kesimpulan

Studi tersebut menunjukkan bahwa proses intake pada mesin pembakaran dalam piston secara signifikan dipengaruhi oleh hambatan aerodinamis dari saluran intake:

Peningkatan resistansi elemen filter menghaluskan dinamika proses pengisian, tetapi pada saat yang sama mengurangi laju aliran udara, yang karenanya mengurangi faktor pengisian;

Pengaruh filter meningkat dengan meningkatnya frekuensi putaran poros engkol;

Nilai ambang koefisien resistansi filter (sekitar 50-55) ditetapkan, setelah itu nilainya tidak mempengaruhi aliran.

Pada saat yang sama, terlihat bahwa hambatan aerodinamis dari sistem pembuangan juga secara signifikan mempengaruhi dinamika gas dan karakteristik aliran dari proses pembuangan:

Peningkatan ketahanan hidraulik sistem pembuangan pada mesin pembakaran dalam piston menyebabkan peningkatan denyut kecepatan aliran udara di saluran pembuangan;

Pada tekanan berlebih rendah di saluran keluar dalam sistem dengan peredam, terjadi penurunan aliran volume melalui saluran pembuangan, sedangkan pada p tinggi, sebaliknya, meningkat dibandingkan dengan sistem pembuangan tanpa peredam.

Dengan demikian, hasil yang diperoleh dapat digunakan dalam praktik perekayasaan untuk memilih karakteristik peredam masuk dan keluar secara optimal, yang dapat menjadi positif.

efek yang signifikan pada pengisian silinder dengan muatan baru (faktor pengisian) dan kualitas pembersihan silinder mesin dari gas buang (rasio gas sisa) pada mode operasi kecepatan tinggi tertentu dari mesin pembakaran internal bolak-balik.

literatur

1. Draganov, B.Kh. Desain saluran masuk dan keluar mesin pembakaran internal / B.Kh. Draganov, M.G. Kruglov, V. S. Obukhova. - Kyiv: Sekolah Vishcha. Kepala penerbit, 1987. -175 hal.

2. Mesin pembakaran dalam. Dalam 3 buku. Buku. 1: Teori proses kerja: buku teks. / V.N. Lukanin, K.A. Morozov, A.S. Khachiyan dan lainnya; ed. V.N. Lukanin. - M.: Lebih tinggi. sekolah, 1995. - 368 hal.

3. Sharoglazov, B.A. Mesin pembakaran internal: teori, pemodelan dan perhitungan proses: buku teks. pada kursus "Teori proses kerja dan pemodelan proses pada mesin pembakaran internal" / B.A. Sharoglazov, M.F. Farafontov, V.V. Klementev; ed. terhormat aktivitas Sains RF B.A. Sharoglazov. - Chelyabinsk: YuUrGU, 2010. -382 hal.

4. Pendekatan modern dalam pembuatan mesin diesel untuk mobil dan truk kecil

Zovikov /A.D. Blinov, P.A. Golubev, Yu.E. Dragan dan lainnya; ed. V. S. Paponov dan A. M. Mineev. - M.: NITs "Insinyur", 2000. - 332 hal.

5. Studi eksperimental proses gas-dinamis dalam sistem asupan mesin piston / B.P. Zhilkin, L.V. Plotnikov, S.A. Korzh, I.D. Larionov // Dvigatelestroyeniye. - 2009. - No. 1. - S. 24-27.

6. Tentang perubahan dinamika gas pada proses pembuangan pada mesin pembakaran dalam bolak-balik saat memasang peredam / L.V. Plotnikov, B.P. Zhilkin, A.V. Krestovskikh, D.L. Padalyak // Buletin Akademi Ilmu Militer. -2011. - Nomor 2. - S. 267-270.

7. Pat. 81338 EN, IPC G01 P5/12. Anemometer termal suhu konstan / S.N. Plokhov, L.V. Plotnikov, B.P. Zhilkin. - Nomor 2008135775/22; Desember 09/03/2008; publ. 10.03.2009, Banteng. Nomor 7.

Penggunaan pipa knalpot resonan pada model motor dari semua kelas dapat meningkatkan performa atletik kompetisi secara dramatis. Namun, parameter geometris pipa ditentukan, sebagai suatu peraturan, dengan coba-coba, karena sejauh ini tidak ada pemahaman yang jelas dan interpretasi yang jelas tentang proses yang terjadi dalam perangkat dinamika gas ini. Dan dalam beberapa sumber informasi tentang hal ini, kesimpulan yang saling bertentangan diberikan yang memiliki interpretasi yang sewenang-wenang.

Untuk studi mendetail tentang proses di pipa knalpot yang disetel, instalasi khusus telah dibuat. Ini terdiri dari dudukan untuk menghidupkan mesin, adaptor pipa motor dengan alat kelengkapan untuk pengambilan sampel tekanan statis dan dinamis, dua sensor piezoelektrik, osiloskop dua balok C1-99, kamera, pipa knalpot resonan dari mesin R-15 dengan sebuah "teleskop" dan pipa buatan sendiri dengan permukaan yang menghitam dan isolasi termal tambahan.

Tekanan pada pipa di area pembuangan ditentukan sebagai berikut: motor dibawa ke kecepatan resonansi (26000 rpm), data dari sensor piezoelektrik yang terhubung ke keran tekanan ditampilkan pada osiloskop, frekuensi sapuannya disinkronkan dengan kecepatan mesin, dan osilogram direkam pada film fotografi.

Setelah mengembangkan film dalam pengembang kontras, gambar dipindahkan ke kertas kalkir pada skala layar osiloskop. Hasil untuk pipa dari mesin R-15 ditunjukkan pada Gambar 1 dan untuk pipa buatan sendiri dengan penghitam dan insulasi panas tambahan - pada Gambar 2.

Di tangga lagu:

R dyn - tekanan dinamis, R st - tekanan statis. OVO - membuka jendela knalpot, BDC - titik mati bawah, ZVO - menutup jendela knalpot.

Analisis kurva memungkinkan untuk mengungkap distribusi tekanan pada saluran masuk tabung resonansi sebagai fungsi dari fase rotasi poros engkol. Kenaikan tekanan dinamik dari bukaan exhaust port dengan diameter pipa outlet 5 mm terjadi pada R-15 sampai kira-kira 80°. Dan minimumnya berada dalam 50 ° - 60 ° dari titik mati bawah pada pembersihan maksimum. Peningkatan tekanan pada gelombang pantulan (dari minimum) pada saat penutupan jendela knalpot adalah sekitar 20% dari nilai maksimum P. Penundaan aksi gelombang gas buang yang dipantulkan adalah dari 80 hingga 90 °. Tekanan statis ditandai dengan peningkatan dalam 22° dari "dataran tinggi" pada grafik hingga 62° dari saat port pembuangan terbuka, dengan minimum terletak di 3° dari saat titik mati bawah. Jelas, dalam kasus penggunaan pipa knalpot yang serupa, fluktuasi blowdown terjadi pada 3° ... 20° setelah titik mati bawah, dan sama sekali tidak pada 30° setelah pembukaan jendela knalpot, seperti yang diperkirakan sebelumnya.

Data studi pipa buatan sendiri berbeda dengan data R-15. Peningkatan tekanan dinamis hingga 65° dari saat port pembuangan dibuka disertai dengan minimum yang terletak 66° setelah titik mati bawah. Dalam hal ini, peningkatan tekanan gelombang pantulan dari minimum sekitar 23%. Keterlambatan aksi gas buang lebih sedikit, yang mungkin disebabkan oleh peningkatan suhu dalam sistem yang diisolasi secara termal, dan sekitar 54°. Fluktuasi pembersihan tercatat pada 10° setelah titik mati bawah.

Membandingkan grafik, terlihat bahwa tekanan statis pada pipa berinsulasi panas pada saat menutup jendela knalpot lebih kecil dari pada R-15. Namun, tekanan dinamis memiliki gelombang pantulan maksimum 54° setelah lubang pembuangan ditutup, dan pada R-15 maksimum ini digeser sebanyak 90"! Perbedaan tersebut terkait dengan perbedaan diameter pipa knalpot: pada R-15, sebagaimana telah disebutkan, diameternya adalah 5 mm, dan pada yang berinsulasi panas - 6,5 mm. Selain itu, karena geometri pipa R-15 yang ditingkatkan, ia memiliki faktor pemulihan tekanan statis yang lebih tinggi.

Efisiensi pipa knalpot resonan sangat bergantung pada parameter geometris pipa itu sendiri, penampang pipa knalpot engine, kondisi suhu, dan waktu katup.

Penggunaan counter-reflektor dan pemilihan rezim suhu pipa knalpot resonansi akan memungkinkan untuk menggeser tekanan maksimum gelombang gas buang yang dipantulkan pada saat jendela knalpot ditutup dan dengan demikian meningkatkan efisiensinya secara tajam.

Artikel ini membahas masalah menilai pengaruh resonator pada pengisian mesin. Sebagai contoh, sebuah resonator diusulkan - dalam volume yang sama dengan volume silinder mesin. Geometri saluran masuk, bersama dengan resonator, diimpor ke program FlowVision. Pemodelan matematika dilakukan dengan mempertimbangkan semua sifat gas yang bergerak. Untuk memperkirakan aliran melalui sistem intake, mengevaluasi laju aliran dalam sistem dan tekanan udara relatif di celah katup, simulasi komputer dilakukan, yang menunjukkan efektivitas penggunaan kapasitas tambahan. Perubahan aliran dudukan katup, laju aliran, tekanan, dan kerapatan aliran dievaluasi untuk sistem saluran masuk standar, retrofit, dan penerima. Pada saat yang sama, massa udara yang masuk meningkat, kecepatan aliran berkurang dan kepadatan udara yang memasuki silinder meningkat, yang secara menguntungkan mempengaruhi kinerja mesin pembakaran internal.

saluran asupan

resonator

pengisian silinder

pemodelan matematika

saluran yang ditingkatkan.

1. Zholobov L.A., Dydykin A.M. Pemodelan matematis proses pertukaran gas mesin pembakaran dalam: Monografi. N.N.: NGSKhA, 2007.

2. Dydykin A.M., Zholobov L.A. Studi dinamika gas dari mesin pembakaran internal dengan metode simulasi numerik // Traktor dan mesin pertanian. 2008. No.4.S.29-31.

3. Pritsker D.M., Turyan V.A. Aeromechanics. Moskow: Oborongiz, 1960.

4. Khailov, M.A., Persamaan Perhitungan untuk Fluktuasi Tekanan pada Pipa Hisap Mesin Pembakaran Internal, Tr. CIAM. 1984. No. 152. P.64.

5. V. I. Sonkin, "Investigasi aliran udara melalui celah katup," Tr. KITA. 1974. Edisi 149. hal.21-38.

6. A. A. Samarskii dan Yu.P. Popov, Perbedaan Metode Penyelesaian Masalah Dinamika Gas. M.: Nauka, 1980. P.352.

7. B. P. Rudoy, ​​​​Dinamika Gas Nonstasioner Terapan: Buku Teks. Ufa: Institut Penerbangan Ufa, 1988. P.184.

8. Malivanov M. V., Khmelev R. N. Tentang pengembangan matematika dan perangkat lunak untuk perhitungan proses gas-dinamis dalam mesin pembakaran internal: Prosiding Konferensi Ilmiah dan Praktis Internasional IX. Vladimir, 2003.S.213-216.

Besarnya torsi mesin sebanding dengan massa udara yang masuk, terkait dengan kecepatan putaran. Peningkatan pengisian silinder mesin pembakaran internal bensin dengan memodernisasi saluran intake akan menyebabkan peningkatan tekanan ujung intake, peningkatan pembentukan campuran, peningkatan kinerja teknis dan ekonomis mesin dan penurunan dalam toksisitas gas buang.

Persyaratan utama untuk saluran masuk adalah untuk memastikan resistensi asupan minimum dan distribusi seragam dari campuran yang mudah terbakar di atas silinder mesin.

Resistensi saluran masuk minimal dapat dicapai dengan menghilangkan kekasaran dinding bagian dalam pipa, serta perubahan arah aliran yang tiba-tiba dan penghapusan penyempitan dan pelebaran jalur yang tiba-tiba.

Pengaruh signifikan pada pengisian silinder diberikan oleh berbagai jenis dorongan. Bentuk supercharging yang paling sederhana adalah dengan menggunakan dinamika udara yang masuk. Volume penerima yang besar sebagian menciptakan efek resonansi dalam kisaran kecepatan rotasi tertentu, yang mengarah pada peningkatan pengisian. Namun, sebagai akibatnya, mereka memiliki kelemahan dinamis, misalnya, penyimpangan dalam komposisi campuran dengan perubahan beban yang cepat. Aliran torsi yang hampir ideal dipastikan dengan peralihan pipa masuk, di mana, misalnya, bergantung pada beban mesin, kecepatan, dan posisi throttle, variasi dimungkinkan:

Panjang pipa pulsasi;

Beralih di antara pipa denyut dengan panjang atau diameter berbeda;
- shutdown selektif dari pipa terpisah dari satu silinder di hadapan sejumlah besar dari mereka;
- mengganti volume penerima.

Dengan dorongan resonansi, kelompok silinder dengan interval flash yang sama dihubungkan dengan pipa pendek ke penerima resonansi, yang dihubungkan melalui pipa resonansi ke atmosfer atau ke penerima prefabrikasi yang berfungsi sebagai resonator Helmholtz. Itu adalah kapal berbentuk bola dengan leher terbuka. Udara di leher adalah massa yang berosilasi, dan volume udara di dalam bejana berperan sebagai elemen elastis. Tentu saja, pembagian seperti itu hanya kira-kira valid, karena sebagian udara di dalam rongga memiliki hambatan inersia. Namun, untuk rasio luas lubang yang cukup besar terhadap luas penampang rongga, keakuratan perkiraan ini cukup memuaskan. Bagian utama energi kinetik getaran terkonsentrasi di leher resonator, di mana kecepatan getaran partikel udara memiliki nilai tertinggi.

Resonator asupan dipasang di antara katup throttle dan silinder. Itu mulai bekerja ketika throttle cukup tertutup sehingga ketahanan hidroliknya menjadi sebanding dengan hambatan saluran resonator. Saat piston bergerak ke bawah, campuran yang mudah terbakar memasuki silinder mesin tidak hanya dari bawah throttle, tetapi juga dari tangki. Saat penghalusan berkurang, resonator mulai menyedot campuran yang mudah terbakar. Bagian, dan yang agak besar, dari ejeksi balik juga akan masuk ke sini.
Artikel ini menganalisis pergerakan aliran di saluran masuk mesin pembakaran dalam bensin 4 tak pada kecepatan poros engkol nominal pada contoh mesin VAZ-2108 pada kecepatan poros engkol n=5600 mnt-1.

Masalah penelitian ini diselesaikan secara matematis menggunakan paket perangkat lunak untuk memodelkan proses gas-hidraulik. Simulasi dilakukan dengan menggunakan paket perangkat lunak FlowVision. Untuk tujuan ini, geometri diperoleh dan diimpor (geometri mengacu pada volume internal mesin - pipa saluran masuk dan keluar, volume silinder berlebih) menggunakan berbagai format file standar. Ini memungkinkan Anda menggunakan SolidWorks CAD untuk membuat area perhitungan.

Area perhitungan dipahami sebagai volume di mana persamaan model matematika ditentukan, dan batas volume tempat kondisi batas ditentukan, lalu simpan geometri yang dihasilkan dalam format yang didukung oleh FlowVision dan gunakan saat membuat pilihan perhitungan baru.

Dalam tugas ini, format ASCII, biner, dalam ekstensi stl, tipe format StereoLithography dengan toleransi sudut 4,0 derajat dan deviasi 0,025 meter digunakan untuk meningkatkan akurasi hasil simulasi.

Setelah mendapatkan model tiga dimensi dari domain komputasi, model matematika ditentukan (sekumpulan hukum untuk mengubah parameter fisik gas untuk masalah tertentu).

Dalam hal ini, diasumsikan aliran gas subsonik substansial pada bilangan Reynolds rendah, yang dijelaskan oleh model aliran turbulen dari gas yang sepenuhnya dapat dimampatkan menggunakan model turbulensi k-e standar. Model matematika ini dijelaskan oleh sistem yang terdiri dari tujuh persamaan: dua persamaan Navier-Stokes, persamaan kontinuitas, energi, keadaan gas ideal, perpindahan massa, dan persamaan untuk energi kinetik dari pulsasi turbulen.

(2)

Persamaan energi (entalpi total)

Persamaan keadaan untuk gas ideal adalah:

Komponen turbulen terkait dengan variabel lainnya melalui viskositas turbulen , yang dihitung menurut model turbulensi k-ε standar.

Persamaan untuk k dan ε

viskositas turbulen:

konstanta, parameter, dan sumber:

(9)

(10)

sk =1; σε=1,3; µ =0,09; Сε1 = 1,44; Сε2 =1,92

Media kerja dalam proses intake adalah udara, dalam hal ini dianggap sebagai gas ideal. Nilai awal parameter ditetapkan untuk seluruh domain komputasi: suhu, konsentrasi, tekanan, dan kecepatan. Untuk tekanan dan suhu, parameter awal sama dengan referensi. Kecepatan di dalam domain komputasi sepanjang arah X, Y, Z sama dengan nol. Variabel suhu dan tekanan dalam FlowVision diwakili oleh nilai relatif, nilai absolutnya dihitung dengan rumus:

fa = f + fref, (11)

di mana fa adalah nilai absolut dari variabel, f adalah nilai relatif variabel yang dihitung, fref adalah nilai referensi.

Kondisi batas ditetapkan untuk setiap permukaan yang dihitung. Kondisi batas harus dipahami sebagai seperangkat persamaan dan karakteristik hukum permukaan geometri desain. Kondisi batas diperlukan untuk menentukan interaksi antara domain komputasi dan model matematika. Jenis kondisi batas tertentu ditunjukkan pada halaman untuk setiap permukaan. Jenis kondisi batas diatur pada jendela saluran masuk saluran masuk - entri gratis. Pada elemen yang tersisa - batas dinding, yang tidak melewati dan tidak mentransmisikan parameter yang dihitung lebih jauh dari area yang dihitung. Selain semua kondisi batas di atas, kondisi batas pada elemen bergerak yang termasuk dalam model matematika yang dipilih juga harus diperhitungkan.

Bagian yang bergerak termasuk katup masuk dan keluar, piston. Pada batas elemen bergerak, kami menentukan jenis dinding kondisi batas.

Untuk setiap benda yang bergerak, hukum gerak diatur. Perubahan kecepatan piston ditentukan oleh rumus. Untuk menentukan hukum pergerakan katup, kurva pengangkatan katup diambil setelah 0,50 dengan ketelitian 0,001 mm. Kemudian dihitung kecepatan dan percepatan gerakan katup. Data yang diterima diubah menjadi perpustakaan dinamis (waktu - kecepatan).

Tahap selanjutnya dalam proses pemodelan adalah pembangkitan jaringan komputasi. FlowVision menggunakan jaringan komputasi yang adaptif secara lokal. Pertama, kisi komputasi awal dibuat, dan kemudian kriteria penyempurnaan kisi ditentukan, yang menurutnya FlowVision membagi sel kisi awal ke tingkat yang diperlukan. Adaptasi dilakukan baik dari segi volume bagian aliran saluran maupun sepanjang dinding silinder. Di tempat-tempat dengan kemungkinan kecepatan maksimum, adaptasi dibuat dengan penyempurnaan tambahan dari jaringan komputasi. Dari segi volume, penggilingan dilakukan hingga level 2 di ruang bakar dan hingga level 5 di slot katup, penyesuaian dilakukan hingga level 1 di sepanjang dinding silinder. Hal ini diperlukan untuk meningkatkan langkah integrasi waktu dengan metode perhitungan implisit. Ini karena langkah waktu didefinisikan sebagai rasio ukuran sel dengan kecepatan maksimum di dalamnya.

Sebelum memulai perhitungan varian yang dibuat, perlu dilakukan pengaturan parameter simulasi numerik. Dalam hal ini, waktu kelanjutan perhitungan ditetapkan sama dengan satu siklus penuh mesin pembakaran dalam - 7200 c.v., jumlah iterasi dan frekuensi penyimpanan data opsi perhitungan. Langkah perhitungan tertentu disimpan untuk diproses lebih lanjut. Mengatur langkah waktu dan pilihan untuk proses perhitungan. Tugas ini memerlukan pengaturan langkah waktu - metode pilihan: skema implisit dengan langkah maksimum 5e-004s, jumlah eksplisit CFL - 1. Ini berarti langkah waktu ditentukan oleh program itu sendiri, bergantung pada konvergensi persamaan tekanan.

Di postprocessor, parameter visualisasi dari hasil yang diperoleh yang menarik bagi kami dikonfigurasi dan diatur. Simulasi memungkinkan Anda mendapatkan lapisan visualisasi yang diperlukan setelah perhitungan utama selesai, berdasarkan langkah perhitungan yang disimpan secara berkala. Selain itu, postprocessor memungkinkan Anda untuk mentransfer nilai numerik yang diperoleh dari parameter proses yang dipelajari dalam bentuk file informasi ke editor spreadsheet eksternal dan memperoleh ketergantungan waktu dari parameter seperti kecepatan, aliran, tekanan, dll. .

Gambar 1 menunjukkan pemasangan penerima pada saluran masuk mesin pembakaran dalam. Volume penerima sama dengan volume satu silinder mesin. Penerima dipasang sedekat mungkin dengan saluran masuk.

Frekuensi alami resonator Helmholtz adalah:

(12)

dimana F - frekuensi, Hz; C0 - kecepatan suara di udara (340 m/s); S - penampang lubang, m2; L - panjang pipa, m; V adalah volume resonator, m3.

Sebagai contoh, kami memiliki nilai berikut:

d=0,032 m, S=0,00080384 m2, V=0,000422267 m3, L=0,04 m.

Setelah perhitungan F=374 Hz, yang sesuai dengan kecepatan poros engkol n=5600 min-1.

Setelah perhitungan varian yang dibuat dan setelah pengaturan parameter simulasi numerik, diperoleh data sebagai berikut: laju aliran, kecepatan, densitas, tekanan, suhu aliran gas di saluran masuk mesin pembakaran dalam sesuai dengan sudut putaran poros engkol.

Dari grafik yang disajikan (Gbr. 2) untuk laju aliran di celah katup, terlihat bahwa saluran yang ditingkatkan dengan penerima memiliki karakteristik aliran maksimum. Laju aliran lebih tinggi sebesar 200 g/detik. Peningkatan diamati sepanjang 60 g.p.c.

Dari saat katup saluran masuk dibuka (348 g.p.c.v.), kecepatan aliran (Gbr. 3) mulai meningkat dari 0 menjadi 170 m/dtk (untuk saluran saluran masuk modern 210 m/dtk, dengan penerima -190 m/dtk ) dalam interval hingga 440-450 g.p.c.v. Di saluran dengan penerima, nilai kecepatan lebih tinggi dari standar sekitar 20 m/s mulai dari 430-440 h.p.c. Nilai numerik dari kecepatan di saluran dengan penerima jauh lebih banyak daripada port intake yang ditingkatkan, selama pembukaan katup intake. Selanjutnya, terjadi penurunan laju aliran yang signifikan, hingga penutupan katup masuk.

Dari grafik tekanan relatif (Gbr. 4) (tekanan atmosfer diambil sebagai nol, P = 101000 Pa), dapat disimpulkan bahwa nilai tekanan pada saluran modern lebih tinggi daripada saluran standar sebesar 20 kPa pada 460-480 gp .CV. (terkait dengan besar nilai laju aliran). Mulai dari 520 g.p.c.c., nilai tekanan turun, yang tidak dapat dikatakan tentang saluran dengan penerima. Nilai tekanan lebih tinggi dari standar sebesar 25 kPa, mulai dari 420-440 g.p.c. hingga katup masuk menutup.

Kepadatan aliran di wilayah celah katup ditunjukkan pada gambar. 5.

Pada saluran yang ditingkatkan dengan penerima, nilai kerapatan lebih rendah sebesar 0,2 kg/m3 mulai dari 440 g.p.a. dibandingkan dengan saluran standar. Ini karena tekanan dan kecepatan aliran gas yang tinggi.

Dari analisis grafik, kesimpulan berikut dapat ditarik: saluran dengan bentuk yang ditingkatkan memberikan pengisian silinder yang lebih baik dengan muatan baru karena penurunan ketahanan hidrolik saluran masuk. Dengan bertambahnya kecepatan piston pada saat katup masuk dibuka, bentuk saluran tidak berpengaruh signifikan terhadap kecepatan, kerapatan dan tekanan di dalam saluran masuk, hal ini disebabkan oleh fakta bahwa selama periode tersebut indikator proses asupan terutama bergantung pada kecepatan piston dan luas bagian aliran celah katup ( dalam perhitungan ini, hanya bentuk saluran masuk yang diubah), tetapi semuanya berubah secara dramatis pada saat piston melambat. Muatan dalam saluran standar kurang lembam dan lebih "diregangkan" di sepanjang saluran, yang bersama-sama mengurangi pengisian silinder pada saat kecepatan piston dikurangi. Sampai katup menutup, proses berlangsung di bawah penyebut kecepatan aliran yang sudah diperoleh (piston memberikan kecepatan awal pada aliran volume di atas katup; ketika kecepatan piston berkurang, komponen inersia aliran gas memainkan peran yang signifikan berperan dalam pengisian karena penurunan resistensi terhadap gerakan aliran), saluran yang dimodernisasi lebih sedikit mengganggu aliran muatan. Ini dikonfirmasi oleh tingkat kecepatan, tekanan yang lebih tinggi.

Di saluran masuk dengan penerima, karena pengisian tambahan dari fenomena muatan dan resonansi, massa campuran gas yang jauh lebih besar memasuki silinder mesin pembakaran internal, yang memastikan kinerja teknis yang lebih tinggi dari mesin pembakaran internal. Peningkatan tekanan di ujung saluran masuk akan berdampak signifikan pada peningkatan kinerja teknis, ekonomi, dan lingkungan dari mesin pembakaran dalam.

Peninjau:

Gots Alexander Nikolaevich, Doktor Ilmu Teknik, Profesor dari Departemen Mesin Termal dan Pembangkit Listrik, Universitas Negeri Vladimir dari Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan, Vladimir.

Kulchitsky Aleksey Removich, Doktor Ilmu Teknik, Profesor, Wakil Kepala Desainer VMTZ LLC, Vladimir.

Tautan bibliografi