Спектральный анализ газодинамических характеристик пульсирующих потоков газа в выпускной системе поршневого двигателя

ЦЕЛЬ. На основе спектрального анализа оценить влияние установки турбины турбокомпрессора на аэромеханику пульсирующих потоков газа в выпускной системе двигателя и предложить способ управления аэродинамическими и теплообменными характеристиками нестационарных потоков газа за счет создания эффекта эжекции в выпускной системе.

МЕТОДЫ. Лабораторный эксперимент на натурной модели поршневого двигателя был выбран для достижения поставленной цели. Спектральный анализ гармонических зависимостей использовался для оценки изменения структуры газовых потоков в выпускной системе. Математическое моделирование рабочего цикла дизельных двигателей применялся для оценки потенциальных положительных эффектов от применения системы эжекции в выпускном тракте дизеля. Системы трехмерного твердотельного моделирования применялись для эскизных (инженерных) проработок новых (модернизированных) конструкций систем выпуска.

РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье описаны лабораторное оборудование, измерительная система и методы обработки данных. Приводится описание граничных условий в ходе проведения экспериментальных исследований. Производится сравнение аэромеханических и теплообменных характеристик нестационарных потоков в выпускной системе двигателя с турбокомпрессором и без него. Показаны качественные и количественные отличия в аэромеханике и теплофизике процессов. Предложен способ аэромеханического совершенствования выпускной системы за счет создания эжекции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Выявлено, что турбина турбокомпрессора оказывает значимое влияние на аэромеханические характеристики потоков в выпускной системе. Наблюдается значимое снижение максимальной скорости потока в выпускном тракте (до 3 раз) при установке турбокомпрессора. Происходит снижение расходных характеристик через выпускную систему с турбонаддувом (в пределах 30 %). Установлено, что эффект эжекции в выпускной системе двигателя приводит к стабилизации течения, росту расхода газа на 6-12 %, снижению удельного расхода топлива в среднем на 1 % и улучшению показателей надежности на 1,11-1,74 %.

1. Breeze P. Piston Engine-Based Power Plants. UK: Academic Press, 2017. 102 p.

2. Flint M., Pirault J.P. Opposed Piston Engines: Evolution, Use, and Future Applications. USA: SAE International, 2009. 576 p.

3. Baechtel J. Performance Automotive Engine Math. USA: S-A Design, 2011. 160 p.

4. Liu Z.G., Swor T.A., Debilzen J.A., Severance C.L., Schauer J.J.A source dilution sampling system for characterization of engine emissions under transient or steady-state operation // Aerosol Science and Technology. 2008. V. 42. No 4. P. 270-280.

5. Plotnikov L.V., Zhilkin B.P., Brodov Y.M. The Influence of Piston Internal Combustion Engines Intake and Exhaust Systems Configuration on Local Heat Transfer // Procedia Engineering, 2017. V. 206. P. 80-85.

6. Fernoaga V., Sandu V., Balan T. Artificial intelligence for the prediction of exhaust back pressure effect on the performance of diesel engines // Applied Sciences (Switzerland). 2020. V. 10. No 20. Article number 7370.

7. Khoa N.X., Quach Nhu Y., Lim O. Estimation of parameters affected in internal exhaust residual gases recirculation and the influence of exhaust residual gas on performance and emission of a spark ignition engine // Applied Energy. 2020. V. 278. Article number 115699.

8. Aiello V.C., Kini G., Staedter M.A., Garimella S. Investigation of fouling mechanisms for diesel engine exhaust heat recovery // Applied Thermal Engineering. 2020. V. 181. Article number 115973.

9. Huang T., Hu G., Meng Z., Zeng D. Exhaust temperature control for safe and efficient thermal regeneration of diesel particulate filter // Applied Thermal Engineering. 2021. V. 189. Article number 116747.

10. Antanenkova I.S., Koroleva A.P., Frantsuzov M.S., Sukhikh A.A., Sytchev V.V. Designing the Main Heat-Transfer Equipment of an ORC-System for the Internal Combustion Engines of Shipboard Installations // Thermal Engineering. 2021. V. 68. No 1. P. 25-36.

11. Jiang W., Shen T. Nonlinear observer-based exhaust manifold pressure estimation and fault detection for gasoline engines with exhaust gas recirculation // International Journal of Engine Research. 2021. V. 22. No 4. P. 1377-1392.

12. Nyerges Á., Zöldy M. Verification and comparison of nine exhaust gas recirculation mass flow rate estimation methods // Sensors (Switzerland). 2020. V. 20. No 24. Article number 7291.

13. Boulanger J., Liu F., Neill W.S., Smallwood G.J. An improved soot formation model for 3d diesel engine simulations // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2007. V. 129. No 3. P. 877-894.

14. Wang Q., Li Y., Hu H. Numerical simulation of remote infrared imaging for marine exhaust system using wide-band k-distribution model combined with a new grouping method for spectral sub-intervals // Infrared Physics & Technology. 2019. V. 96. P. 276-290.

15. Ali S.M., Chakraborty A. Thermodynamic modelling and performance study of an engine waste heat driven adsorption cooling for automotive air-conditioning // Applied Thermal Engineering. 2015. V. 90. P. 54-63.

16. 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. No 12. Article number 1036.

17. Kong K.-J., Jung S.-H., Jeong T.-Y., Koh D.-K. 1D-3D coupling algorithm for unsteady gas flow analysis in pipe systems // Journal of Mechanical Science and Technology. 2019. V. 33. No 9. P. 4521-4528.

18. Nasir E.F., Sanders S.T. Laser absorption tomography for ammonia measurement in diesel engine exhaust // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2020. V. 126. No 11. Article number 178.

19. Kim H.-S. Effect of exhaust manifold geometry and engine parameters on flow pulsations inside the exhaust system with CCC under firing conditions // Journal of Mechanical Science and Technology. 2021. V. 35. No 2. P. 805-813.

20. Miller J. Turbo: Real World High-Performance Turbocharger Systems. USA: S-A Design, 2008, 162 p.

21. Leufvén O., Eriksson L. Measurement, analysis and modeling of centrifugal compressor flow for low pressure ratios // International Journal of Engine Research. 2016. V. 17. No 2. P. 153-168.

22. Plotnikov L.V. Features of the gas dynamics and local heat transfer in intake system of piston engine with supercharging // IOP Conf. Series: Journal of Physics. 2017. V. 899. Article number 042008.

23. Pu R. Hyperspectral remote sensing: fundamentals and practices. USA: CRC Press, 2017. 466 p.

24. Budko A.Y., Nazarkin A.S., Medvedev M.Y. A study of shock wave processes in the combustion chamber and the estimation method of the knock intensity based on ion current signal analysis // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018. V. 13. No 11. Р. 3667-3672.

25. Demic M.D., Glisovic Ja.D. Contribution to research of thermal loads in commercial vehicles powertrain mounts // Vojnotehnički glasnik. 2017. V. 65. No 4. P. 882-903.

26. Danilov I., Popova I., Moiseev Yu. Analysis and validation of the dynamic method for diagnosing diesel engine connecting rod bearings // Transport Problems. 2018. V. 13. No 1. P. 123-133.

27. Plotnikov L.V., Zhilkin B.P. Specific aspects of the thermal and mechanic characteristics of pulsating gas flows in the intake system of a piston engine with a turbocharger system // Applied Thermal Engineering. 2019. V. 160. Article number 114123.

28. Plotnikov L.V., Zhilkin B.P., Brodov Y.M. Improvement of the thermal and mechanical flow characteristics in the exhaust system of piston engine through the use of ejection effect // IOP Conf. Series: Journal of Physics. 2017. V. 891. Article number 012154.

29. Plotnikov L.V., Zhilkin B.P., Brodov Y.M. Improved cleaning of the engine cylinder from the exhaust gas using the active ejection in the exhaust tract // Applied mechanics and materials. 2015. V. 792. Р. 553-558.