rmrsНаучно-технический сборник Российского морского регистра судоходстваResearch Bulletin by Russian Maritime Register of Shipping2223-7097Российский морской регистр судоходстваrmrs-86Research ArticleМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ДВИЖИТЕЛИMECHANICAL INSTALLATIONS AND PROPULSIONВлияние формы впускного клапана на характеристики воздушного вихря в цилиндре судового двигателяInfluence of inlet valve shape on air vortex characteristics in a marine engine cylinderГалиевИ. Р.GalievI. R.

канд. техн. наук, доцент

190121 Россия, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., 3 

 PhD, Associate Professor

190121 Russia, St. Petersburg, Lotsmanskaya ul., 3 

sbs777@yandex.ruМаксимовД. С.MaksimovD. S.

магистрант

190121 Россия, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., 3 

 Master's student

190121 Russia, St. Petersburg, Lotsmanskaya ul., 3 

maksimovmityai@yandex.ruСанкт-Петербургский государственный морской технический университетРоссияSt. Petersburg State Marine Technical UniversityRussian Federation20241212202417696105Copyright © Галиев И.Р., Максимов Д.С., 20242024Галиев И.Р., Максимов Д.С.Galiev I.R., Maksimov D.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sbornik.rs-class.org/jour/article/view/86

Изучены закономерности влияния формы впускного клапана на характеристики воздушного вихря в цилиндре судового двигателя. Обзор литературы показал, что научной стороной вопроса совершенствования конструкции впускных клапанов занимаются ученые и инженеры ведущих университетов и технологических компаний во всем мире. До конца не решенные научные вопросы сдерживают широкомасштабное применение в судовых дизельных двигателях клапанов с ширмами и спиральными направляющими. Поэтому дальнейшие исследования в данной области являются актуальной задачей. В статье представлены результаты исследования влияния угла охвата ширмы и спиральных направляющих на впускном клапане на коэффициент наполнения, вихревое число, среднюю и пульсационную скорости воздушного вихря в цилиндре судового дизельного двигателя 16Д49. В основе математической модели рабочего процесса судового двигателя были использованы трехмерные уравнения нестационарного переноса. Для определения характеристик турбулентности использовалась k-ω SST модель турбулентности. Выявлено, что применение клапанов с направляющими вставками способствует формированию организованного упорядоченного движения воздуха вокруг оси цилиндра двигателя, уменьшению коэффициента наполнения на 1 — 4 %, увеличению вихревого числа в 2,7 раза, уменьшению пульсационной скорости в 3,9 раза и увеличению средней скорости потока в 3,6 раза. Показано, что использование клапанов с направляющими вставками может быть актуальным решением для организации вихревого движения воздуха в цилиндре судового двигателя.

The influence patterns of the intake valve shape on the characteristics of the air vortex in the cylinder of a marine engine are studied. The literature review showed that the scientific side of the issue of improving the design of intake valves is studied by scientists and engineers from leading universities and technology companies around the world. Unresolved scientific issues hinder the large-scale use of valves with screens and spiral guides in marine diesel engines. Therefore, further research in this area is an urgent task. The article presents the results of a study of the influence of the wrap angle of the screen and spiral guides on the intake valve on the filling factor, swirl number, average and pulsation velocities of the air vortex in the cylinder of the 16D49 marine diesel engine. The mathematical model of the working process of the marine engine was based on three-dimensional equations of unsteady transfer. The k-ω SST turbulence model was used to determine the turbulence characteristics. It was found that the use of valves with guide inserts contributes to the formation of an organized orderly air movement around the engine cylinder axis; reduction of the filling factor by 1 — 4 %; increase of the swirl number by 2.7 times; reduction of the pulsation velocity by 3.9 times and increase of the average flow velocity by 3.6 times. It is shown that the use of valves with guide inserts can be a relevant solution for organizing the vortex movement of air in the cylinder of a marine engine.

впускной клапантурбулентностькоэффициент наполненияпульсационная скоростьвихревое числоCFD-моделированиеinlet valveturbulencefilling coefficientpulsation velocityswirl numberCFD modelingReferencesШурпяк В.К. Новые требования ИМО по уменьшению выбросов углекислого газа с морских судов, совершающих транспортную работу / В.К. Шурпяк, С.А. Толмачев, М.В. Мусонов // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2021. — № 64/65. — С. 4 — 18.Shurpyak V.K., Tolmachev S.A., Musonov M.V. New IMO requirements for reduction of carbon dioxide emissions from ships performing transport work. Research Bulletin by Russian Maritime Register of Shipping. 2021 (64/65): 4-18.Буянов А.С. Коэффициент энергоэффективности как инструмент определения углеродного следа от работы морских судов ледовых классов / А.С. Буянов, В.В. Якимов, А.С. Реуцкий // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2023. — № 72/73. — С. 21 — 31.Buyanov A.S., Yakimov V.V., Reutsky A.S. Energy efficiency coefficient as a tool for determining the carbon footprint from the operation of sea-going ships of ice classes. Research Bulletin by Russian Maritime Register of Shipping. 2023 (72/73): 21-31.Shin J. Effects of swirl enhancement on in-cylinder flow and mixture characteristics in a high-compression-ratio, spray-guided, gasoline direct injection engine / J. Shin, D. Kim, Y. Son, S. Park // Case Studies in Thermal Engineering. — 2022. — № 34. DOI: 10.1016/j.csite.2022.101937.Shin J., Kim D., Son Y., Park S. Effects of swirl enhancement on in-cylinder flow and mixture characteristics in a high-compression-ratio, spray-guided, gasoline direct injection engine. Case Studies in Thermal Engineering. 2022 (34). DOI: 10.1016/j.csite.2022.101937.Roy B. CFD investigation of 180° shrouded intake valve for assessment of pressure variation on its shroud surface / B. Roy, R. Misra // Advancements in Mechanical Engineering. ICRAMERD. — 2022. — № 5. — Р. 86 — 95. DOI: 10.1007/978-981-97-0900-7_25.Roy B., Misra R. CFD investigation of 180° shrouded intake valve for assessment of pressure variation on its shroud surface. Advancements in Mechanical Engineering. ICRAMERD. 2022 (5): 86-95. DOI: 10.1007/978-981-97-0900-7_25.Choe S.G. Effect of the geometrical shapes of the helical-spiral shroud intake valve on swirl generation in cylinder of diesel engine / S.G. Choe // Results in Engineering. — 2023. — № 18. DOI: 10.1016/j.rineng.2023.101132.Choe S.G. Effect of the geometrical shapes of the helical-spiral shroud intake valve on swirl generation in cylinder of diesel engine. Results in Engineering. 2023 (18). DOI: 10.1016/j.rineng.2023.101132.Fratita M. Cold flow simulation for a S.I. engine with shrouded intake valve / M. Fratita, E. Rusu // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. — 2022. DOI:10.1088/1757-899X/1262/1/012066.Fratita M., Rusu E. Cold flow simulation for a S.I. engine with shrouded intake valve. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2022. DOI:10.1088/1757-899X/1262/1/012066.Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals / J.B. Heywood. — New York: McGraw-Hill Education, 2018. — 1721 p.Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. New York: McGraw-Hill Education, 2018. 1721 p.Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы / Р.З. Кавтарадзе. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 720 с.Kavtaradze R.Z. Teoriya porshnevykh dvigatelei. Spetsial'nye glavy [Theory of reciprocating engines. Special chapters]. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2008. 720 p.Онищенко Д.О. Расчетное определение вихревого числа среднеоборотного двигателя путем моделирования процесса впуска / Д.О. Онищенко, С.А. Панкратов, Н.С. Ложкин, В.А. Рыжов // Сб. тез. докл. международной научно-технической конференции «Двигатель — 2017», посвященной 110-летию специальности «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. — С. 64 — 65.Onishchenko D.O., Pankratov S.A., Lozhkin N.S., Ryzhov V.A. Calculation of medium-speed engine swirl ratio by using the modeling of intake. Materialy mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, posvyashchennoi 110-letiyu spetsial'nosti «Porshnevye dvigateli» MGTU im. N.E. Baumana [Proc. of the Intern. Conf. ‘Engine — 2017’, 110 Years of the ‘Reciprocating Engines’ Major]. M., 2017. P. 64-65.Кавтарадзе P.З. Влияние формы впускных каналов на эффективные и экологические показатели среднеоборотного дизеля / P.З. Кавтарадзе, А.А. Зеленцов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. — 2015. — № 6. — C. 59 — 73. DOI: 10.18698/0236-3941-2015-6-59-73.Kavtaradze R.Z., Zelentsov A.A. Influence of intake port shape on effective and ecological parameters of middle-speed diesel engine. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical Engineering. 2015 (6): 59-73. DOI: 10.18698/0236-3941-2015-6-59-73.Roy B. Effect of modified shrouded intake valve on performance and emissions of spark ignition engine / B. Roy, K. Pandey // Clean Technologies and Environmental Policy. — 2018. — № 5. DOI: 10.1007/s10098-018-1652-x.Roy B., Pandey K. Effect of modified shrouded intake valve on performance and emissions of spark ignition engine. Clean Technologies and Environmental Policy. 2018 (5). DOI: 10.1007/s10098-018-1652-x.Chun X. Computational fluid dynamics study of the swirl generation analysis in four-stroke direct injection engine / X. Chun, Ch. Muk // Journal of Applied Mechanical Engineering. — 2016. — Vol. 5, Issue 5. DOI: 10.4172/2168-9873.1000221.Chun X., Muk Ch. Computational fluid dynamics study of the swirl generation analysis in four-stroke direct injection engine. Journal of Applied Mechanical Engineering. 2016. Vol. 5, Issue 5. DOI: 10.4172/2168-9873.1000221.Abo-Elfadl S. Enhancement of swirl generation in diesel engine cylinder by using combinations of twisted tap and guide vanes with shrouded valve / S. Abo-Elfadl, A. El-Sabor // Journal of Engineering Sciences Assiut University Faculty of Engineering. — 2018. —Vol. 46, № 1. — P. 33 — 45. DOI: 10.21608/jesaun.2018.114415.Abo-Elfadl S., El-Sabor A. Enhancement of swirl generation in diesel engine cylinder by using combinations of twisted tap and guide vanes with shrouded valve. Journal of Engineering Sciences Assiut University Faculty of Engineering. 2018. Vol. 46, № 1: 33-45. DOI: 10.21608/jesaun.2018.114415.Yerrennagoudaru H. Effect of inlet air swirl on four stroke single cylinder diesel engine’s performance / H. Yerrennagoudaru, S. Desai // OSR Journal of Mechanical and Civil Engineering. — 2014. — Vol. 11. № 4. — P. 59 — 68. DOI: 10.13140/RG.2.2.35526.42568.Yerrennagoudaru H., Desai S. Effect of inlet air swirl on four stroke single cylinder diesel engine’s performance. OSR Journal of Mechanical and Civil Engineering. 2014. Vol. 11. № 4: 59-68. DOI: 10.13140/RG.2.2.35526.42568.Галиев И.Р. Применение метода конечных объемов для расчета рабочего процесса в ДВС / И.Р. Галиев // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. — 2024. — № 2 (10). — С. 25 — 31.Galiev I.R. Primenenie metoda konechnykh ob"emov dlya rascheta rabochego protsessa v DVS [Application of the finite volume method for calculating the working process in internal combustion engines]. Transactions of the St. Petersburg State Marine Technical University. 2024. № 2 (10): 25-31.Galiev I.R. Variation patterns of turbulence characteristics in wall layer of ship’s engine internal combustion chamber / I.R. Galiev // Transactions of the Krylov State Research Centre. — 2023. — № 1. — Р. 131 —136. DOI: 10.24937/2542-2324-2023-1-S-I-131-136.Galiev I.R. Variation patterns of turbulence characteristics in wall layer of ship’s engine internal combustion chamber. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2023 (1): 131-136. DOI: 10.24937/2542-2324-2023-1-S-I-131-136.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.