MĚŘENÍ RYCHLOSTNÍHO POLE VE VÁLCI MODELU PROTÁČENÉHO MOTORU METODOU PIV

Transkript

1 KOKA 2, XXXVI. mezinárodní konference kateder a pracovišť spalovacích motorů českých a slovenských vysokých škol MĚŘENÍ RYCHLOSTNÍHO POLE VE VÁLCI MODELU PROTÁČENÉHO MOTORU METODOU PIV Miloslav Emrich 1, Petr Hatschbach 2 ABSTRACT This article describes experimental setup made for measuring flow fields inside the cylinder using particle image velocimetry (PIV). The setup 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. Results from first measurements are presented here. Key words: PIV, flow field, cylinder, engine, endoscope, particles 1 ÚVOD Na základě předchozích zkušeností s měřením proudových polí ve válci motoru metodou PIV na aerodynamické trati vznikla myšlenka vytvořit zařízení experimentální protáčený jednoválec, které by odstranilo nedostatky měření na aerodynamické trati viz [1] a [2]. Vytvořené zařízení zvané AEROMODEL umožňuje měřit proudová pole ve válci při sacím a kompresním zdvihu za podmínek podobných jako u skutečného motoru viz obrázek 1. Obrázek 1: Měřící stanoviště s nádobou na částice v popředí Figure 1: Measurement stand with particles box in the front 1 Ing. Miloslav Emrich, Ústav vozidel a letadlové techniky, České vysoké učení technické v Praze, Technická 4, Praha 6, tel , miloslav.emrich@fs.cvut.cz 2 Ing. Petr Hatschbach, CSc., Ústav vozidel a letadlové techniky, České vysoké učení technické v Praze, Technická 4, Praha 6, tel , petr.hatschbach@fs.cvut.cz

2 2 POPIS ZAŘÍZENÍ Zařízení nazývané aeromodel (obrázek 1 a 2) vznikl úpravami starého zařízení, které mělo podobný účel použití. Aeromodel je koncipován jako jednoválec s proměnnou kompresí a zdvihem díky možnosti nastavení různé délky ojnice (cca 18-28) a poloměru ojničního čepu (32-7). Energii pro provoz dodává elektromotor o výkonu 3 kw při 286 min -1 regulovaný frekvenčním měničem. Elektromotor roztáčí setrvačník (kg, I S =4,22 kg.m2), ke kterému je přes elektromagneticky spínanou spojku připojen úplný klikový mechanismus. Maximální otáčky klikové hřídele jsou min -1. Setrvačník je vybaven pásovou brzdou. Pohon rozvodu OHC z klikové hřídele je uskutečněn řetězovým převodem, řetěz je udržován v napnutém stavu pomocí napínáku. Pro měření byl vyroben speciální měřící válec a píst (obrázek 3, 4 a ). Píst tvoří dvě ocelové desky, mezi nimiž je sevřen těsnící kroužek. Kroužek je vyrobený ze silonu s příměsí uhlíku, protože při měření je nepřípustné mazání válce. Měřící metoda PIV vyžaduje optický přístup pro laserový list a kolmo na něj optický přístup pro kameru. Přístup pro laserový list byl vytvořen vyfrézováním dvou průzorů v protilehlých stěnách, aby laserový list procházel osou válce. Tyto průzory jsou z vnější strany válce zakryty optickým sklem BK7, které je přitlačováno ocelovými destičkami. Těsnění zajišťuje oboustranná lepící páska. Obrázek 2: Aeromodel současný stav Figure 2: Aeromodel current state of art Obrázek 3: Měřicí válec, endoskop a hlava motoru s rozvodovým řetězem Figure 3: Measuring cylinder, endoscope and engine head with timing chain

3 Nad válec je umístněna sériová hlava s rozvodovým řetězem z tříválcového motoru Škoda 1,2 HTP (2 ventily na válec). Výhodou je, že otáčením válce lze měřit v různých rovinách procházejícími osou válce a komplexně zmapovat proudová pole ve válci. Optický přístup pro kameru zajišťuje endoskop Karl Storz ( 8) s vrcholovým úhlem 67 (obrázek 3). Ve válci bylo vytvořeno otvorů se závity pro speciální průchodky pro endoskop tak, aby byla opticky pokryta oblast válce od oblasti ventilů v hlavě do vzdálenosti od hlavy (obrázek ). K synchronizaci aparatury PIV s polohou pístu slouží kotouček se zářezem připevněný ke klikovému hřídeli. Poloha zářezu se snímá obvodem s optickou závorou, výstupem je signál v úrovni TTL. Natáčením kotoučku lze měnit polohu zářezu vůči klikové hřídeli a definovat okamžik, kdy je požadováno sepnutí laseru. TTL signálu je využito také k měření otáček aeromodelu pomocí panelového čítače. Pro zviditelnění proudění jsou do válce nasávány značkovací částice. Pro udržení částic ve vznosu pro snadné nasátí do válce byla vyrobena nádoba 7x7x27 s leteckou vrtulí poháněnou elektromotorem - viz obrázek 1. V protilehlých rozích nádoby jsou vstupní a výstupní otvory, které jsou pomocí ohebných hadic připojeny k sacímu a výfukovému kanálu. Obrázek 4: Model měřicího válce a pístu (Catia V) Figure 4: Model of measuring cylinder and piston (Catia V) Obrázek : Řez modelem válce a spalovacího prostoru v hlavě motoru. Figure : Cylinder section model and combustion chamber in the engine head

4 Image size: (26,124), 12-bits (frame 1) Burst#; rec#: 1; 1 (1), Date: , Time: 21::: Image size: (-.,-47.), in pixels: , 12-bits Burst#; rec#: 9; 1 (9), Date: , Time: 18:7:2:746 Analog inputs: 1 763; 1 78; 1 78; Image size: (-.,-47.), in pixels: , 12-bits (frame 2) Burst#; rec#: 1; 1 (1), Date: , Time: 21:::7 Analog inputs: 1 763; 1 763; 1 777; VÝSLEDKY MĚŘENÍ Pro ověření funkčnosti aeromodelu bylo v současnosti provedeno první měření při otáčkách 4 min -1. Značkovací částice Expancel o velikosti μm vykazovaly shlukování do větších seskupení. Proto byly jako dočasná náhrada použity polyamidové částice od firmy Dantec o velikosti μm určené pro použití ve vodě. Nádoba se značkovacími částicemi a celé měřící stanoviště je na obrázku 1. Měření probíhalo v sacím zdvihu při poloze klikové hřídele přibližně 1 za horní úvratí. Endoskop byl postupně vsunut do čtyř otvorů válce viz obrázek. Při měření bylo vždy změřeno minimálně až dvojsnímků. Nejdříve bylo provedeno narovnání obrázku zdeformovaného optikou endoskopu na základě kalibračního terčíku, což zobrazuje obrázek 6 a 7. pix Image size: (26,124), 12-bits Burst#; rec#: 9; 1 (9), Date: , Time: 18:7:2:746 2 Analog inputs: 1 763; 1 78; 1 78; pix Obrázek 6: Kalibrační terčík a pohled levým horním endoskopem do válce na ventil před narovnáním Figure 6: Calibrating target and view on the valve through top left endoscope into the cylinder before the picture transformation Obrázek 7: Kalibrační terčík a pohled levým horním endoskopem do válce na ventil po transformaci Figure 7: Calibrating target and view on the valve through top left endoscope into the cylinder after the picture transformation Postup vyhodnocování byl následující: Cross-korelační analýza, vyhodnocované oblasti 32x32 bodů, překrytí 2% Peak Validation odstraněné vektorů rychlosti, které jsou 1,2x větší, než druhý největší vektor

5 Statistics vector map: Vector Statistics, 33 3 vectors (99) Size: (-133,-23) Statis tics vector m ap: Vector Statis tics, vectors (238) Size: (-247,-187) Vector map: Filtered, vectors (841), 841 substituted Burs t#; rec#: 1; 1 (1), Date: , Tim e: 21:8:4:77 Analog inputs: 1.763; 1.79; 1.763; Statistics vector map: Vector Statistics, 2 24 vectors (48) Size: (-213,-216) Moving Average nahrazení chybných vektorů v oblastech x bodů s akceptačním faktorem,1 Filtered - průměrování vektorů na ploše 3x3 bodů Tyto analýzy byly provedeny pro všechny změřené snímky pro dané umístění endoskopu a byl vypočten statisticky průměrný obrázek vektorů rychlosti pro každou polohu endoskopu - viz obrázek Levý horní sací ventil Pravý horní výfukový ventil, koutový vír Levý dolní - píst Pravý dolní - píst Obrázek 8: Vektory rychlosti získané z měření Figure 8: Velocity vectors gained from the measurement Na levém horním obrázku je schematicky naznačen otevřený sací ventil. Pod ním je vidět tvořící se vír vznikající nátokem vzduchu kolem stěny válce (vyznačeno přerušovanou čárou). Globální proudové pole má směr k hlavě motoru. Vyšrafované oblasti byly ovlivněny odrazem laserového listu od stěn.

6 Na pravém horním obrázku je naznačen výfukový ventil. Zřejmý je koutový vír (vyznačeno přerušovanou čárou) a pokračování proudu vzduchu při nátoku do válce přes sací ventil. Na levém dolním obrázku vidíme proudové pole, které směřuje vzhůru. Jedná se o vtokový vírový útvar, který je již ovlivněný pístem. Na posledním obrázku je pokračování nátoku do válce, které po dosažení pístu se vrací směrem k hlavě motoru a vytváří vír (vyznačeno přerušovanou čárou). 4 ZÁVĚR 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 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. Pro odstranění tohoto problému by bylo nutné provést řadu měření při různém natočení válce a tedy i roviny laserového listu nebo použít prostorové Stereo-PIV měření. Dalším nedostatkem našeho prvního měření je nemožnost spojit získaná proudová pole do jednoho obrázku. Toto bude při příštích měřeních již odstraněno lepší organizací měření a společným kalibračním terčíkem. Také budou použity vhodnější částice s menší hustotou, zřejmě Expancel 93 DU 12 ( μm, ρ<=6, kg.m -3 nebo 9 DU 8 ( μm, ρ<=12 kg.m -3 ). Měření metodou PIV s použitím endoskopické optiky se však jeví jako dostatečně přesná metoda pro změření proudových polí ve válci motoru a dále se jí hodláme zabývat. Po dokončení zařízení jsou předpokládána další měření na různých hlavách nebo modelech hlav motorů. Není vyloučeno ani Stereo-PIV měřeni s použitím dvou endoskopů, které by umožňovalo měřit všechny tři složky rychlosti v měřené rovinné oblasti. Výsledky budou využity k porovnání se simulačními výpočty a ke zpracování autorovy disertační práce. LITERATURA [1] Hatschbach, P.: Měření na modelu válce spalovacího motoru při stacionárním proudění pomocí PIV, In: 18th Symposium on Anemometry, Praha, Ústav pro hydrodynamiku, 23, díl 1, s ISBN [2] Hatschbach, P. - Novotný, J.: Měření ve válci spalovacího motoru pomocí PIV s endoskopickou optikou, In: Colloquium Fluid Dynamics 23. Praha: Ústav termomechaniky AV ČR, 23, díl 1, s ISBN LEKTOROVAL Doc. Ing. Pavel Baumruk, CSc. PODĚKOVÁNÍ Úpravy aeromodelu byly hrazeny z interního grantu ČVUT č.-846/24 a vytvářené pracoviště je hrazeno z grantu FRVŠ 131/2. PIV aparatura je podporována v rámci projektu Výzkumného centra Josefa Božka II - 1M68, MŠMT České republiky. V neposlední řadě patří poděkování mechanikům ústavu 1212 a firmě TOS Znojmo a.s. za profesionální spolupráci při výrobě dílů na aeromodel.