Preview

Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

Расширенный поиск

Спектральный анализ газодинамических процессов во впускной системе поршневого двигателя с турбонаддувом

https://doi.org/10.30724/1998-9903-2021-23-4-43-54

Полный текст:

Аннотация

ЦЕЛЬ. Провести спектральный анализ газодинамических характеристик нестационарных потоков во впускных системах поршневых двигателей с турбонаддувом и без него, оценить уровень влияния механического воздействия лопаток компрессора на структуру течения, а также разработать метод совершенствования газодинамических процессов в системе впуска.
МЕТОДЫ. Лабораторный эксперимент был выбран для решения поставленных задач. Была создана натурная модель одноцилиндрового двигателя с турбонаддувом. Также была возможность изменять скорости вращения коленвала и ротора турбокомпрессора в широком диапазоне. Система сбора и обработки экспериментальных данных на основе аналого-цифрового преобразователя использовалась в исследовании. Данные об изменении локальных значений скорости и статического давления потоков во впускной системе в течении рабочего цикла двигателя были получены с помощью термоанемометра постоянной температуры и быстродействующего датчика давления. Спектральный анализ функций скорости и давления потока от времени проводился на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье.
РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье представлен сравнительный анализ спектров амплитуд пульсаций скорости и давления потока в системе впуска двигателя с турбонаддувом и без него. Также предложен метод стабилизации нестационарного течения воздуха в системе впуска путем установки выравнивающей решетки в канал компрессора турбокомпрессора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Выявлено, установка турбокомпрессора приводит к существенному изменению структуры газовых потоков в системе впуска двигателя. Установлено, что наличие выравнивающей решетки в системе впуска двигателя с турбонаддувом приводит к снижению низкочастотных амплитуд пульсаций скорости и давления нестационарного потока до 40 %. Показано, что вероятность безотказной работы двигателя 2ЧН 8,2/7,1 возрастает почти на 1 % при использовании в системе впуска выравнивающей решетки.

Об авторах

Л. В. Плотников
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

Плотников Леонид Валерьевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Турбины и двигатели»

г. Екатеринбург



Ю. М. Бродов
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

Бродов Юрий Миронович – доктор технических наук, зав. кафедрой турбин и двигателей

г. Екатеринбург



Б. П. Жилкин
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

Жилкин Борис Прокопьевич – доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника»

г. Екатеринбург



Д. С. Шестаков
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

Шестаков Дмитрий Сергеевич – доцент кафедры «Турбины и двигатели»

г. Екатеринбург



Л. Е. Осипов
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

Осипов Леонид Евгеньевич – магистрант

г. Екатеринбург



Список литературы

1. Busch M.D. Mike Busch on Engines. New York: Savvy Aviation, 2018, 508 p.

2. Watson N., Janota M.S. Turbocharging the Internal Combustion Engine. London: Palgrave Macmillan Press, 1982. 608 p.

3. Breeze P. Piston Engine-Based Power Plants. India: Academic Press, 2017, 182 p.

4. Zhuang H., Hung D.L.S., Yang J., Tian S. Investigation of swirl ratio impact on in- cylinder flow in an SIDI optical engine // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2016. V. 138. No 8.

5. Lee K., Bae C., Kang K. The effects of tumble and swirl flows on flame propagation in a four-valve S.I. engine // Applied Thermal Engineering. 2007. V. 27. No 11-12. pp. 2122-2130.

6. Wahono B., Setiawan A., Lim O. Effect of the intake port flow direction on the stability and characteristics of the in-cylinder flow field of a small motorcycle engine // Applied Energy. 2021. V. 288.

7. Perini F., Zha K., Busch S., et al. Comparison of Linear, Non-Linear and Generalized RNG-Based k-epsilon Models for Turbulent Diesel Engine Flows // SAE Technical Papers. 2017.

8. Janas P., Wlokas I., Böhm B., et al. On the Evolution of the Flow Field in a Spark Ignition Engine // Flow, Turbulence and Combustion. 2017. V. 98. No 1. pp. 237-264.

9. Plotnikov L., Nevolin A., Nikolaev D. The flows structure in unsteady gas flow in pipes with different cross-sections // EPJ Web of Conferences. 2017. V. 159. Article number 00035.

10. Souza GRD., Pellegrini C.D.C., Ferreira S.L., et al. Study of intake manifolds of an internal combustion engine: A new geometry based on experimental results and numerical simulations // Thermal Science and Engineering Progress. 2019. V. 9. pp. 248-258.

11. Kim K.-H., Kong K.-J. One-dimensional gas flow analysis of the intake and exhaust system of a single cylinder diesel engine // Journal of Marine Science and Engineering. 2020. V. 8 (12).

12. Grishin Y.A., Zenkin V.A., Khmelev R.N. Boundary conditions for numerical calculation of gas exchange in piston engines // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2017. V. 90. No 4. pp. 965-970.

13. Bondar V., Aliukov S., Malozemov A., et al. Mathematical model of thermodynamic processes in the intake manifold of a diesel engine with fuel and water injection // Energies. 2020. V. 13 (17).

14. Zholobov L.A., Medvedev A.V., Pasin A.V., et al. Estimation of gas exchange parameters in the engine by numerical simulation // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1679 (4).

15. Guo H., Fu B., Huang Z., et al. Design and optimization of air intake system based on FSC // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1600 (1).

16. Li Z., Zhang Y., Huang G., et al. Control of intake boundary conditions for enabling clean combustion in variable engine conditions under intelligent charge compression ignition (ICCI) mode // Applied Energy. 2020. V. 274.

17. Bae M.-W., Ku Y.J., Park H.-S. A study on effects of tuning intake and exhaust systems upon exhaust noises in a driving car of gasoline engine // Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, B. 2021. V. 45 (1). pp. 31-40.

18. Plotnikov L.V., Zhilkin B.P., Brodov Y.M. Thermomechanical improvement of gas–air systems of turbocharged piston internal-combustion engines // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2020. V. 93. No. 6. pp. 1557-1566.

19. Zhu Z., Lin R., Du A., Zhu P., Yuan Z. PIV Steady State Air Intake Experiment and Tumble Ratio Calculation of Gasoline Engines // Chinese Internal Combustion Engine Engineering. 2017. V. 38. No 4. pp. 121-127.

20. Li J., Wang T., Li W., Wang, et al. Experiment on tumble ratio measurement in a gasoline engine using 3D-PIV // Chinese Society for Internal Combustion Engines. 2017. V. 35, No 1. pp. 25-31.

21. Zhang X., Wang T., Jia M., et al. The Interactions of In-Cylinder Flow and Fuel Spray in a Gasoline Direct Injection Engine with Variable Tumble // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2015. V. 137, No 7.

22. Baines N.C. Fundamentals of turbocharging. Vermont: COncepts NREC, 2005. 264 p.

23. Romagnoli A., Manivannan A., Rajoo S., et al. A review of heat transfer in turbochargers // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. V. 79. pp 1442-1460.

24. Plotnikov L.V., Zhilkin B.P. Influence of gas-dynamical nonstationarity on local heat transfer in the gas–air passages of piston internal-combustion engines // Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2018. V. 91, No. 6. pp. 1444-1451.

25. Fransson J. H. M., Talamelli A., Brandt L., Cossu C. Delaying transition to turbulence by a passive mechanism // Physical Review Letters. 2006. V. 96 (6).

26. Choi H., Moin P., Kim J. Active turbulence control for drag reduction in wall-bounded flows // Journal of Fluid Mechanics. 1994. V. 262 (A). pp. 75-110.

27. Plotnikov L.V., Zhilkin B.P. The gas-dynamic unsteadiness effects on heat transfer in the intake and exhaust systems of piston internal combustion engines // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. V. 115. pp. 1182-1191.

28. Hashimoto K., Badarla V.R., Ideguchi T. High-Speed Fourier-Transform Infrared Spectroscopy with Phase-Controlled Delay Line // Laser and Photonics Reviews. 2021. V. 15 (1).

29. Bordbar H., Hostikka S., Boulet P., Parent G. Numerically resolved line by line radiation spectrum of large kerosene pool fires // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2020. V. 254.

30. Brodov Y.M., Grigoryev N.I., Zhilkin B.P., et al. Increasing Reliability of Gas–Air Systems of Piston and Combined Internal Combustion Engines by Improving Thermal and Mechanic Flow Characteristics // Thermal Engineering, 2015. V. 62. № 14. pp. 1038-1042.


Рецензия

Для цитирования:


Плотников Л.В., Бродов Ю.М., Жилкин Б.П., Шестаков Д.С., Осипов Л.Е. Спектральный анализ газодинамических процессов во впускной системе поршневого двигателя с турбонаддувом. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2021;23(4):43-54. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2021-23-4-43-54

For citation:


Plotnikov L.V., Brodov Y.M., Zhilkin B.P., Shestakov D.S., Osipov L.E. Spectral analysis of gas dynamic processes in the inlet system of a piston engine with turbocharger. Power engineering: research, equipment, technology. 2021;23(4):43-54. (In Russ.) https://doi.org/10.30724/1998-9903-2021-23-4-43-54

Просмотров: 227


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1998-9903 (Print)
ISSN 2658-5456 (Online)