VÝSLEDKY MĚŘENÍ RYCHLOSTNÍHO POLE VE VÁLCI MODELU PROTÁČENÉHO MOTORU PŘI SACÍM ZDVIHU METODOU PIV

Transkript

1 VÝSLEDKY MĚŘENÍ RYCHLOSTNÍHO POLE VE VÁLCI MODELU PROTÁČENÉHO MOTORU PŘI SACÍM ZDVIHU METODOU PIV Miloslav Emrich 1, Petr Hatschbach 2 ABSTRACT This article describes results of flow field measurement during intake stroke inside engine cylinder. Particle Image Velocimetry is used. Experimental setup works without combustion and compression. It consists of single-cylinder engine powered by electric motor, engine cylinder with optical access for laser light, camera equipment, cylinder head (Skoda 1.2 HTP) and PIV system from Dantec. Optical access for camera is accomplished through endoscope optics Karl Storz. Key words: PIV, flow field, cylinder, engine, endoscope, particles 1 ÚVOD Tento článek navazuje na článek z roku 2005 viz [3], ve kterém je detailně popsáno experimentální zařízení zvané AEROMODEL. Jedná se o experimentální protáčený jednoválec pracující bez spalování. Zařízení se používá pro měření proudových polí ve válci při sacím a výfukovém zdvihu za podmínek podobných jako u skutečného motoru, a s jistými výhradami i při kompresním zdvihu. Zařízení vzniklo na základě předchozích zkušeností s měřením proudových polí ve válci motoru metodou PIV na aerodynamické trati viz [1] a [2]. Tento článek popisuje získané výsledky ze dvou prováděných měření proudových polí ve válci při sacím zdvihu. 2 POPIS ZAŘÍZENÍ Experimentální zařízení získalo nové stanoviště v aerodynamické laboratoři v budově ČVUT na Julisce (Pod Juliskou 4, Praha 6), kde bude již stabilně umístněno a využíváno jak na měření tak i na výuku viz obr. 1. Základní parametry jsou: hlava z motoru Škoda 1,2 HTP (dva ventily na válec, vrtání válce 76,5 mm, zdvih 86,9 mm, maximální otáčky zařízení 1000 min -1 ). Pohon je zajištěn elektromotorem, otáčky jsou regulovatelné frekvenčním měničem. Zařízení prodělalo určitá vylepšení, jež nejsou popsána v [3]. Změny byly provedeny v synchronizaci PIV aparatury a aeromodelu. Je využito originálního snímače polohy vačkového hřídele v hlavě motoru, který dává TTL logikou (0-5V) informaci zda se vačkový hřídel nachází v čase saní-komprese či expanze-výfuk. Druhý signál TTL přicházi z optické závory, která snímá kotouček se zářezem, který je umístněný na klikové hřídeli. Nastavením polohy zářezu na kotoučku se stupnicí se přesně určí okamžik měření. Signál ze snímače vačkové hřídele a klikové hřídele prochází přes obvod s prvky logiky NAND a každou druhou otáčku je vyslán signál k inicializaci aparatury 1 Ing. Miloslav Emrich, ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka, Technická 4, Praha 6 miloslav.emrich@fs.cvut.cz, tel , fax Ing. Petr Hatschbach, CSc., ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka, Technická 4, Praha 6 petr.hatschbach@fs.cvut.cz, tel , fax

2 PIV a provedení vlastního měření. Přepínačem lze měnit, zda má měření probíhat v čase sání-komprese nebo expanze-výfuk. Další zlepšení spočívá ve speciálním přípravku, který zaaretuje vačkový hřídel v určité poloze a při nastaveném pístu do horní úvrati se dotáhnou řemenice a je nastaveno časování stejné jako u reálného motoru. Použitá aparatura PIV od firmy Dantec se skládá ze zdvojeného pulzního Nd-YAG laseru New Wave Gemini 15 (532 nm, 120mJ), optického vedení laserového paprsku, dvou kamer HiSense s rozlišením 1280x1024 bodů, procesoru FlowMap 1500 a vyhodnocovacího software FlowManager verze 4.5. K měření jsou k dispozici dva endoskopy Karl Storz průměru 8 mm a délky 320 resp. 560 mm s vrcholovým úhlem 67. Jako značkovací částice byly použity částice firmy AKZO NOBEL - EXPANCEL MICROSPHERES 461 DET 40 d25. Částice mají velikost μm a hustotu 25 ± 3 kg.m -1. obr. 1 Experimentální zařízení zvané AEROMODEL umístěné v aerodynamické laboratoři v konfiguraci pro měření současně dvěmi kamerami 3 POSTUP MĚŘENÍ 3.1 Kalibrace Vlastnímu měření předchází kalibrace tj. vyfotografování kalibračního terčíku, který slouží k zaostření kamer a následně pro výpočet transformační matice. Ta je při vyhodnocení aplikována na změřené snímky a je provedena transformace do roviny, protože endoskopy vytváří efekt rybího oka. Také se díky kalibračnímu terčíku přenese na snímky informace o měřítku.

3 Měřící válec má čtyři otvory se závitem viz obr. 3, do kterých se přes průchodku vsunuje endoskop. Do válce se vloží kalibrační terčík viz obr. 2, který se vyfotografuje endoskopem z každého otvoru. Je použit terčík, který má čtyři středové body, aby bylo možné při vyhodnocení identifikovat překrytí snímků. obr. 2 Společný kalibrační terčík (vzdálenosti středů Δx=32,5mm, Δy=30mm) obr. 3 Měřící válec s průzory a průchodkami pro endoskopy (vrtání 76,5 mm, zdvih 86,9 mm) Při kalibraci byla snaha dosáhnout co nejrovnoměrnějšího osvětlení. To je vidět na obr. 4obr. 5. V tomto případě funkce pro výpočet transformační matice kolabovala, viz zdeformovaná síť na kalibračním terčíku. obr. 4 Kalibrační terčík (rovnoměrně osvětlený) a histogram Při experimentování byl pořízen a vyhodnocen záznam bez osvětlení, kde na histogramu jsou pouze dva jednoznačné vrcholy stupňů šedi viz obr. 5. Pro takový záznam již výpočet transformační matice spolehlivě fungoval a tímto způsobem se pokračovalo při focení kalibračního terčíku i z ostatních pozic pro endoskop.

4 obr. 5 Kalibrační terčík (neosvětlený) a histogram se dvěma výraznými vrcholy 3.2 Měření Původní myšlenka využít současného měření s využitím dvou endoskopů a kamer ztroskotala, protože bylo možné zaznamenat pouze 6 dvojsnímků z obou kamer. Při větším počtu systém FlowMap zkolabuje. Opakované zaznamenávání šesti snímků by bylo kvůli prodlevě při inicializaci PIV aparatury časově příliš náročné. Proto bylo měření prováděno pouze s jedním endoskopem a kamerou. V této konfiguraci lze změřit a uložit najednou 49 záznamů (dvojsnímků). Poté se inicializace a měření spouští znovu až do doby, než se zanesou průzory pro laserový list a endoskopy značkovacími částicemi. V praxi to bylo cca dvojsnímků. Další problém, který se při měření vyskytnul bylo praskání sklíček pro laserový list, která jsou přes pružná těsnění sevřena mezi stěnu válce a přítlačnou destičku viz obr. 3. obr. 6 Konfigurace pro měření jednou kamerou obr. 7 Postup vyhodnocení v programu FlowManager ver. 4.5

5 4 VÝSLEDKY MĚŘENÍ Měření probíhalo při konstantních otáčkách 400 min -1. Při těchto otáčkách lze měření provádět v každém oběhu odpovídající frekvence měření cca 3,3 Hz je menší než max. frekvence měření systému PIV. Měřeno bylo proudové pole při úhlech natočení klikové hřídele 60, 90, 120, 150 a 180 za horní úvratí v sacím zdvihu. Měření probíhalo vsunutím endoskopu do jednoho otvoru a postupným proměřením proudových polí úhlech natočení tj. 60, 90, 120, 150 a 180 za horní úvratí v sacím zdvihu. Poté byl endoskop přesunut do jiného otvoru a měření se opakovalo. Vyhodnocení výsledků v programu FlowManager probíhalo dle postupu viz obr. 7 a nastavením viz tab. 1. Dewarped Masked image Adaptive 32 25% Interrogation Area 32x32 Overlap 25% Number of refinement steps: 1 Initial step: 2 Final step: 2 Peak Validation Minimum peak height relative to peak 2: 1,1 Min. peak width:1,3 Local Neighborhood Validation Use Moving Average 3x3 Acceptance factor 0,1 Iterations 3 Peak Relative to peak 2: 1,05 Peak minimum width: 1,3 Moving Average Averageing area: 5x5 Acceptance factor: 0,1 Iterations: 3 Substitute invalidated Validate on boundary Filtered Averaging area: 3x3 Vector Statistics tab. 1 Parametry pro vyhodnocení Σ přes všechny snímky Vynášená proudová pole jsou zobrazena na pozadí, které je vypočteno jako průměrný snímek se zamaskovaných obrázků. Jsou na nich patrné odlesky, které znemožňují vyhodnocení v určitých oblastech, což je na výsledcích patrné. Osa válce je na obrázcích vynesena bílou čerchovanou čárou, z čehož je patrné, že mezi levým a pravým obrázkem je překrytí, stejně tak je tomu i mezi horním a spodním obrázkem. Při studování proudových polí ve válci motoru je nutné si uvědomit, že metoda PIV zachycuje pouze složku rychlosti v rovině laserového listu, tj. v našem případě v rovině procházející osou válce (protínající sací ventil cca 5mm od jeho osy). U dvouventilových hlav je běžný tečný vír (swirl), tedy vírový útvar s osou rotace shodnou s osou válce. Proto zobrazené vektory mohou mít výraznou tečnou složku, kterou nejsme schopni zobrazit.

6 obr. 8 Spalovací prostor s otevřeným sacím ventilem (60 za HÚ) Na obr. 8 je zobrazeno proudové pole ve spalovacím prostoru a části válce v poloze klikové hřídele 60 za horní úvratí. Na pravém obrázku je vidět výrazný nátokový proud a vytvořený koutový vír. Pokud porovnáme překrývající se oblasti, vidíme, že proudová pole na levém a pravém obrázku jsou od sebe odkloněna. Tento jev může mít několik příčin. Jednou z příčin může býr použití endoskopické optiky. Pokud bude mít axiální složka v místě měření např. stejnou velikost jako složka radiální, bude na okraji měřené oblasti chyba určení radiální složky pro použité endoskopy až 66% viz [4]. Dalším důvodem může být fakt, že měření neprobíhalo v jednom okamžiku, ale že endoskop byl postupně přemontováván do čtyř pozic. Každá demontáž, čištění a nastavení otáček mohla vnést určitou chybu. Tento problém měl být vyřešen použitím dvou endoskopů a měřením v obou místech v jednom okamžiku. To ale hardware PIV neumožnil pro dostatečný počet snímků zaznamenaných v jednom sledu. obr. 9 Spalovací prostor s otevřeným sacím ventilem (90 za HÚ)

7 Na obr. 9 je proudové pole v poloze 90 za horní úvratí. Pokud porovnáme tyto výsledky s předchozími, je vidět, že proudové pole v levé části válce změnilo směr. V pravé části zanikl koutový vír, resp. se vytvořil vírový útvar z natékajícího proudu a proudu směřujícího podél stěny válce vzhůru. Návaznost mezi levým a pravým obrázkem je opět diskutabilní. obr. 10 Spalovací prostor s otevřeným sacím ventilem a navazující oblast válce (120 za HÚ) V čase 120 za HÚ nejsou již dolní otvory pro endoskopy překryty pístem a na obr. 10 je již vidět proudové pole sahající do vzdálenosti cca 45mm od dosedací plochy hlavy válců. Z hlediska globálního pohledu je na první pohled vidět pravotočivý vírový útvar zasahující do celé sledované oblasti válce se středem rotace pod sacím ventilem. V tomto čase dosahuje ventil maximálního zdvihu.

8 obr. 11 Spalovací prostor s otevřeným sacím ventilem a navazující oblast válce (150 za HÚ) Na obr. 11 je zachyceno proudové pole v čase 150 za HÚ. Zde je již opět poměrně dobrá shoda v návaznosti mezi jednotlivými obrázky. Proudové pole je velice podobné jako na přechozím obrázku globální vírový útvar se středem pod sacím ventilem. Ventil se začíná zavírat, nachází se na sestupné straně vačky.

9 obr. 12 Spalovací prostor s otevřeným sacím ventilem a navazující oblast válce (180 za HÚ) Poslední obr. 12 zobrazuje proudové pole v dolní úvrati. Sací ventil je téměř uzavřen. Pravý dolní obrázek proudového pole je velice nevěrohodný. Je to zapříčiněno malým počtem snímku pro statistické vyhodnocení, ale hlavně problémy při měření, kdy jak skla endoskopů tak sklíčka pro laserový list byla zanesena olejem a částicemi a z časových důvodů nebylo možné zařízení vyčistit a měření opakovat. Opět je na zbývajících obrázcích patrný vír, jehož střed se posunul z prostoru pod ventilem do osy válce. Vír je již velmi málo podporován nátokem mezerou ventil-sedlo.

10 5 ZÁVĚR Presentované výsledky měření by měly ukázat složitost problematiky měření ve válci splaovacího motoru resp. modelu spalovacího motoru. Komentáře k naměřeným výsledkům jsou pouze orientační, vzhledem k malému množství naměřených dat pouze v jedné rovině válce. Proudové pole válce je velmi složitý vírový útvar a na sofistikovanější posouzení by bylo nutno proměřit válec ve více rovinách. Nicméně lze říci, že s určitými zjednodušeními jsme i při takto náročných podmínkách schopni měřit. Při tomto měření byl použit nový typ částic Expancel, který se jeví jako velice vhodný. Měření nám ukázalo na problémy, které je nutno do budoucna vyřešit. Největším problémem se stále jeví odlesky laserového listu od válce a ventilů. Možnost řešení je povrch potřít sirníkem molybdenu. Další nutné vylepšení bude připojení zařízení na odsávání částic, které proniknou pod píst při kompresním zdvihu. Vzhledem k rychlému zanášení endoskopů a zejména průhledů pro laserový list, je nutné časté čištění a proto by bylo vhodné vyřešit rychlejší demontáží průhledů pro čištění. Vyskytl se také problém s praskajícími průhledy a přesným určením horní úvrati. Z hlediska vyhodnocení by bylo velice zajímavé spojit proudová pole naměřená ze čtyř pozic endoskopu do jednoho obrázku. Toto již program FlowManager neumožňuje, proto bude využito programu Tecplot či MatLab, což v čase psaní článku zatím nebylo provedeno. Výsledky budou využity k porovnání se simulačními výpočty a ke zpracování autorovy disertační práce. 6 LITERATURA [1] Hatschbach, P.: Měření na modelu válce spalovacího motoru při stacionárním proudění pomocí PIV, In: 18th Symposium on Anemometry, Praha, Ústav pro hydrodynamiku, 2003, díl 1, s ISBN [2] Hatschbach, P. - Novotný, J.: Měření ve válci spalovacího motoru pomocí PIV s endoskopickou optikou, In: Colloquium Fluid Dynamics Praha: Ústav termomechaniky AV ČR, 2003, díl 1, s ISBN [3] Emrich, M.: Popis experimentálního zařízení pro měření proudových polí ve válci spalovacího motoru metodou PIV. Sborník XIX. sympozium o anemometrii. s Holany-Litice 2005 [4] Hatschbach, P.: Měření ve válci pomocí PIV s endoskopickou optikou. Sborník XIX. sympozium o anemometrii. s Holany-Litice 2005 LEKTOROVAL Doc. Ing. Pavel Baumruk, CSc. PODĚKOVÁNÍ Úpravy aeromodelu a vytvářené pracoviště je hrazeno z grantu FRVŠ 131/2005. PIV aparatura je podporována v rámci projektu Výzkumného centra Josefa Božka II - 1M0568, MŠMT České republiky.