Влияние формы впускного клапана на характеристики воздушного вихря в цилиндре судового двигателя

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.

1. Шурпяк 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals / J.B. Heywood. — New York: McGraw-Hill Education, 2018. — 1721 p.

8. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы / Р.З. Кавтарадзе. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 720 с.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.