RYCHLOSTNÍ POLE VE VÁLCI MODELU PROTÁČENÉHO MOTORU MĚŘENÉ METODOU PIV

Transkript

1 KOKA 2006, XXXVII. International conference of Czech and Slovak Universities Departments and Institutions Dealing with the Research of Combustion Engines RYCHLOSTNÍ POLE VE VÁLCI MODELU PROTÁČENÉHO MOTORU MĚŘENÉ METODOU PIV Petr Hatschbach 1, Miloslav Emrich 2, Jan Novotný 3 ABSTRACT This article describes results of in-cylinder velocity field measurement on the experimental test bed for measuring of flow fields inside the cylinder using Particle Image Velocimetry (PIV). The experimental setup of a motored engine consists of single-cylinder with an optical access for the laser light, camera equipment, cylinder head (Skoda 1.2 HTP) and PIV system from Dantec. The optical access for digital camera is accomplished through the endoscope optics. Key words: PIV, flow field, cylinder, engine, endoscope, particles 1 ÚVOD Příspěvek navazuje na článek minulého roku - viz [3], ve kterém je podrobně popsáno experimentální zařízení AEROMODEL a první výsledek ověřovacího měření. Aeromodel je experimentální protáčený jednoválec pracující bez spalování, který se používá pro měření proudových polí ve válci při sacím a výfukovém zdvihu za podmínek podobných jako u skutečného motoru. Zařízení vzniklo na základě předchozích zkušeností s měřením proudových polí ve válci motoru metodou PIV na aerodynamické trati viz [1] a [2]. V tomto článku jsou popsány výsledky měření proudových polí ve válci při sacím zdvihu v jedné rovině procházející osou válce. 2 POPIS ZAŘÍZENÍ Experimentální zařízení je nově umístěno v aerodynamické laboratoři v budově ČVUT na Julisce - viz obr. 1. Toto stanoviště je využíváno jak pro výzkumné účely, tak i pro výuku. Základní parametry zařízení 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. Na zařízení byla provedena určitá vylepšení. Byly provedeny změny v synchronizaci PIV aparatury a aeromodelu. Protože umístění synchronizačního kotoučku s optickou závorou na vačkový hřídel by bylo příliš komplikované, byla synchronizace měření doposud prováděna na otáčení klikového hřídele. To ovšem ale znamenalo, že signál k měření byl vyslán nejen při sacím, ale zbytečně i při expanzním zdvihu. Nadbytečná měření pak bylo nutné ručně smazat. Nyní je navíc využito originálního snímače polohy vačkového hřídele 1 Ing. Petr Hatschbach, CSc., ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka, Technická 4, Praha 6, tel , petr.hatschbach@fs.cvut.cz 2 Ing. Miloslav Emrich, ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka, Technická 4, Praha 6, tel , miloslav.emrich@fs.cvut.cz 3 Ing. Jan Novotný, ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka, Technická 4, Praha 6, tel , jan.novotny@fs.cvut.cz

2 v hlavě motoru, který dává signál, zda se vačkový hřídel nachází v čase sání-komprese či expanze-výfuk. Druhý signál TTL přicházi jako doposud z optické závory, která snímá kotouček se zářezem umístněným na klikové hřídeli. Nastavením polohy zářezu na kotoučku se stupnicí se přesně určí okamžik měření. Oba signály jsou spojeny v obvodu s prvky logiky NAND, takže každou druhou otáčku klikového hřídele je vyslán signál k inicializaci aparatury PIV a provedení vlastního měření. Přepínačem pak lze měnit, zda má měření probíhat v čase sáníkomprese nebo expanze-výfuk. Dalším vylepšením je použití speciálního přípravku, kterým se 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. Pro vlastní měření metodou PIV se používá aparatura od firmy Dantec (zdvojený pulzní Nd-YAG laser New Wave Gemini 15, optické vedení laserového paprsku, dvě kamery HiSense s rozlišením 1280x1024 bodů, procesor FlowMap 1500 a vyhodnocovací 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. Obrázek 1: Aeromodel v konfiguraci pro měření současně dvěmi kamerami Figure 1: Aeromodel in two cameras configuration

3 3 POSTUP MĚŘENÍ 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. Pomocí kalibračního terčíku se také získá přesná informace o délkovém měřítku v místě měření. Měřící válec má čtyři otvory se závitem, 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. Obrázek 2: Společný kalibrační terčík Figure 2: Common calibration target Obrázek 3: Měřicí válec Figure 3: Measuring cylinder Bohužel se nepodařilo realizovat původní myšlenku, tj. využít současného měření pomocí dvou endoskopů a kamer. Řídící procesor systému PIV FlowMap 1500 kvůli hardwarové závadě umožňoval v tomto případě zaznamenat pouze 6 dvojsnímků z obou kamer. To by však kvůli nutné prodlevě při inicializaci PIV aparatury znamenalo značné prodloužení celého měření. Proto byla měření prováděna pouze s jedním endoskopem a kamerou obr. 4. Takto lze změřit a uložit najednou 49 záznamů (dvojsnímků). Poté se inicializace a měření spouští znovu až do doby, než se průzory pro laserový list a endoskopy zanesou 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 přítlačný rámeček - viz obr. 3.

4 Obrázek 4: Měření s jednou kamerou Figure 4: Measurement with one camera Obrázek 5: Vyhodnocení dat v systému FlowManager Figure 5: Data evaluation in FlowManager system 4 VÝSLEDKY MĚŘENÍ Měření probíhalo při konstantních otáčkách klikového hřídele 400 min -1. Tomu odpovídá střední pístová rychlost 1,16 m.s -1. Maximální možná frekvence měření použitou PIV aparaturou je cca 4,5 Hz, takže při těchto otáčkách lze měření provádět v každém oběhu. Proudové pole ve válci bylo měřeno v sacím zdvihu při úhlech natočení klikové hřídele 60, 90, 120, 150 a 180 za horní úvratí. Měření bylo organizováno tak, že endoskop byl zasunut do jednoho otvoru ve válci a postupně byla proměřena proudová pole při úhlech natočení tj. 60, 90, 120, 150 a 180 za horní úvratí v sacím zdvihu. Poté byl endoskop přesunut do dalšího otvoru a měření se opakovalo. Při měření horními endoskopy lze vyhodnotit proudová pole v oblasti spalovacího prostoru a v oblasti válce do vzdálenosti 25 mm od dosedací plochy hlavy válce. Při měření dolními endoskopy se celková proměřovaná oblast rozšiřuje až do vzdálenosti 60 mm od dosedací roviny hlavy. Vyhodnocení bylo prováděno v programu FlowManager (obr. 5), následný postprocesing pomocí vlastního programu pro zpracování měření ze 4 pozic endoskopu do jednoho datového pole. Pro zobrazení vektorových polí byl použit program TecPlot. Detailní popis vyhodnocení je uveden v [4]. Na následujících obrázcích (obr. 6 až 10) uvedená proudová pole jsou na pozadí doplněna o obrázky řezů modelem hlavy a měřícího válce s reálnou polohou ventilu a pístu (vytvořeno v CAD systému Catia V5). Měřicí rovina prochází osou válce ve směru podélné roviny hlavy a protíná sací ventil cca 5,25 mm od jeho osy. Nátok sacím kanálem je odzadu. Při analýze dále uvedených naměřených proudových polí je nutné brát v úvahu, že měření se provádělo s dvouventilovou hlavou. Typické proudové pole vznikající ve válci má v tomto případě výrazně prostorový charakter. Metoda PIV ale zachycuje pouze složku rychlosti v rovině laserového listu. Proto zobrazené vektory mohou mít i výraznou tečnou složku, kterou ovšem nebylo možné vyhodnotit.

5 Obrázek 6: Proudové pole pro 60 za HÚ (z = 5,37mm, h = 28,2mm) Figure 6: Flow field at 60 after TDC (z = 5,37mm, h = 28,2mm) Obrázek 7: Proudové pole pro 90 za HÚ (z = 8,02mm, h = 48,7mm) Figure 7: Flow field at 90 after TDC (z = 8,02mm, h = 48,7mm)

6 Obrázek 8: Proudové pole pro 120 za HÚ (z = 8,99mm, h = 71,6mm) Figure 8: Flow field at 120 after TDC (z = 8,99mm, h = 71,6mm) Obrázek 9: Proudové pole pro 150 za HÚ (z = 8,05mm, h = 89,9mm) Figure 9: Flow field at 150 after TDC (z = 8,05mm, h = 89,9mm)

7 Obrázek 10: Proudové pole pro 180 za HÚ (z = 5,34mm, h = 96,9mm) Figure 10: Flow field at 180 after TDC (z = 5,34mm, h = 96,9mm) Na obr. 6 je zobrazeno proudové pole ve spalovacím prostoru a části válce v poloze klikové hřídele 60 za horní úvratí. Zdvih ventilu byl z = 5,37mm, píst se nachází ve vzdálenosti h = 28,2mm od dosedací roviny hlavy. V pravé části obrázku je vidět koutový vír vytvořený nátokem do válce mezerou ventil-sedlo. Na obr. 7 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 otáčení. V pravé části zanikl koutový vír, resp. se vytvořil vírový útvar z natékajícího proudu a proudu směřujícího podél stěny válce vzhůru. Při tomto natočení klikové hřídele píst zčásti zakrývá spodní otvory pro endoskop a proto není v tomto okamžiku možné změřit vektory rychlosti v poměrně vysoké oblasti nad pístem. V poloze natočení klikové hřídele 120 za HÚ nejsou již dolní otvory pro endoskopy překryty pístem a na obr. 8 je již vidět proudové pole sahající do vzdálenosti cca 60 mm od dosedací plochy hlavy válců. Objevil se výrazný pravotočivý vírový útvar zasahující do téměř celé sledované oblasti válce se středem rotace pod sacím ventilem. V tomto okamžiku dosahuje ventil maximálního zdvihu. Na obr. 9 je zachyceno proudové pole v poloze natočení klikové hřídele 150 za HÚ. Proudové pole je velice podobné jako na přechozím obrázku globální vírový útvar se středem pod sacím ventilem, ale již s menšími velikostmi rychlosti. Ventil se nachází na sestupné straně vačky. Poslední obr. 10 zobrazuje proudové pole v dolní úvrati. Sací ventil se již rychle uzavírá. Opět je patrný velký vírový útvar, jehož střed se trochu posunul z prostoru pod ventilem do osy válce. Vír je již velmi málo podporován nátokem mezerou ventil-sedlo, takže rychlosti jsou celkově nižší než na předchozích obrázcích.

8 5 ZÁVĚR Presentované výsledky měření ukazují na složitost problematiky měření ve válci spalovacího 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 komplikované a na sofistikovanější posouzení by bylo nutno proměřit válec ve více rovinách. Nicméně lze říci, že s určitými zjednodušeními je možné i při takto náročných podmínkách úspěšná měření provádět. 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. Stále přetrvávají problémy s odlesky laserového listu od válce a ventilů. 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. Při vyhodnocení bylo nově použito spojení vektorových obrazců získaných ze dvou či čtyř endoskopů do jednoho obrazce pomocí vlastního software a software TecPlot. V plánu je paralelně pracovat na numerických simulacích proudění ve válci vytvořit model v programu AVL Fire s pohyblivou sítí. Získané výsledky z numerické simulace budou porovnávány s naměřenými výsledky. 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. - Hatschbach, P.: Měření rychlostního pole ve válci modelu protáčeného motoru metodou PIV. Příspěvek na konferenci, Mezinárodní konference kateder a pracovišť spalovacích motorů českých a slovenských vysokých škol, ČVUT v Praze, Praha 2005, s ISBN [4] Emrich, M. - Hatschbach, P.: Výsledky měření rychlostního pole ve válci modelu protáčeného motoru při sacím zdvihu metodou PIV. Sborník XX. sympozium o anemometrii. s Holany-Litice ISBN LEKTOROVAL Doc. Ing. Pavel Baumruk, CSc. PODĚKOVÁNÍ Tato práce byla podporována v rámci projektu Výzkumného centra Josefa Božka II - 1M0568, MŠMT České republiky a grantu FRVŠ 131/2005.