energsecurityНадежность и безопасность энергетикиSafety and Reliability of Power Industry1999-55552542-2057ООО «НПО Энергобезопасность»10.24223/1999-5555-2021-14-2-108-114energsecurity-757Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЯ, РАСЧЕТЫDESIGN, RESEARCH, CALCULATIONSТепломеханическое совершенствование системы воздухо- снабжения поршневого двигателя с турбонаддувомThermal and mechanical improvement of the air supply system of a turbocharged piston engineБродовЮ. М.BrodovY. M.

ул. Мира, 19, 620002, г. Екатеринбург

19 Mira str., 620002, Ekaterinburg

ПлотниковЛ. В.PlotnikovL. V.

ул. Мира, 19, 620002, г. Екатеринбург

19 Mira str., 620002, Ekaterinburg

eonplot@mail.ruДесятовК. О.DesyatovK. O.

ул. Мира, 19, 620002, г. Екатеринбург

19 Mira str., 620002, Ekaterinburg

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»РоссияUral Federal University named after the first President of Russia B. N. YeltsinRussian Federation202127072021142108114Copyright © Бродов Ю.М., Плотников Л.В., Десятов К.О., 20212021Бродов Ю.М., Плотников Л.В., Десятов К.О.Brodov Y.M., Plotnikov L.V., Desyatov K.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sigma08.ru/jour/article/view/757

Описан способ тепломеханического совершенствования пульсирующих потоков воздуха во впускной системе поршневого двигателя с турбонаддувом. Основная цель данного исследования состоит в разработке способа подавления интенсивности теплоотдачи для улучшения показателей безотказности поршневого двигателя с турбонаддувом. Приведен краткий обзор литературы по улучшению показателей надежности поршневых двигателей разного назначения. Научно-технические результаты получены на основе экспериментальных исследований на натурной модели поршневого двигателя. Для получения газодинамических и теплообменных характеристик потоков газа использовался метод термоанемометрирования. Описаны лабораторные стенды и приборно-измерительная база. Представлены данные о газодинамике и теплообмене стационарных и пульсирующих потоков воздуха в газодинамических системах разных конфигураций применительно к системе воздухоснабжения поршневого двигателя с турбонаддувом. Предложен способ тепломеханического совершенствования потоков во впускной системе двигателя на основе хонейкомба с целью стабилизации пульсирующего потока и подавления интенсивности теплоотдачи. Получены данные о мгновенных значениях скорости потока воздуха и локального коэффициента теплоотдачи как в выпускном канале компрессора турбокомпрессора (т. е. без поршневого двигателя), так и во впускной системе двигателя с наддувом. Проведен сравнительный анализ полученных данных. Выявлено, что установка выравнивающей решетки в выпускной канал турбокомпрессора приводит к интенсификации теплоотдачи в среднем на 9%. Установлено, что наличие выравнивающей решетки в системе впуска поршневого двигателя вызывает подавление теплоотдачи в пределах 15% в сравнении с базовыми значениями. Показано, что применение модернизированной впускной системе в дизельном двигателе повышает его вероятность безотказной работы на 0,8%. Полученные данные могут быть распространены на другие типы и конструкции систем воздухоснабжения тепловых двигателей.

A method of thermomechanical improvement of pulsating air flows in the intake system of a turbocharged piston engine is described. The main objective of this study is to develop a method for suppressing the rate of heat transfer to improve the reliability of a piston turbocharged engine. A brief review of the literature on improving the reliability of piston engines is given. Scientific and technical results were obtained on the basis of experimental studies on a full-scale model of a piston engine. The hot-wire anemometer method was used to obtain gas-dynamic and heatexchange characteristics of gas flows. Laboratory stands and instrumentation facilities are described in the article. The data on gas dynamics and heat exchange of stationary and pulsating air flows in gas-dynamic systems of various configurations as applied to the air supply system of a turbocharged piston engine are presented. A method of thermomechanical improvement of flows in the intake system of an engine based on a honeycomb is proposed in order to stabilize the pulsating flow and suppress the intensity of heat transfer. Data were obtained on the air flow rate and the local heat transfer coefficient both in the exhaust duct of the turbocharger compressor (i.e., without a piston engine) and in the intake system of a supercharged engine. A comparative analysis of the data has been carried out. It was found that the installation of a leveling grid in the exhaust channel of a turbocharger leads to an intensification of heat transfer by an average of 9%. It was found that the presence of a leveling grid in the intake system of a piston engine causes the suppression of heat transfer within 15% in comparison with the baseline values. It is shown that the use of a modernized intake system in a diesel engine increases its probability of failure-free operation by 0.8%. The data obtained can be extended to other types and designs of air supply systems for heat engines.

поршневой двигательтурбокомпрессорвпускная системастационарные и пульсирующие потокигазодинамика и теплообменвероятность безотказной работыpiston engineturbochargerintake systemstationary and pulsating flowsgas dynamics and heat exchangeprobability of failure-free operationРезультаты работы, представленные в статье, получены при поддержке РНФ в рамках научного проекта 18-79-10003.The results of the work presented in the article were obtained during the implementation of the Russian Science Foundation (grant No. 18-79-10003).ReferencesReitz R. D., Ogawa H., Payri R., Fansler T. [et al.] IJER editorial: The future of the internal combustion engine. International Journal of Engine Research 2020; 21(1): 3–10.Reitz R. D., Ogawa H., Payri R., Fansler T. [et al.] IJER editorial: The future of the internal combustion engine. International Journal of Engine Research 2020; 21(1): 3–10.Nahim H. M., Younes R., Shraim H., Ouladsine M. Oriented review to potential simulator for faults modeling in diesel engine. Journal of Marine Science and Technology (Japan) 2016; 21(3): 533 – 551.Nahim H. M., Younes R., Shraim H., Ouladsine M. Oriented review to potential simulator for faults modeling in diesel engine. Journal of Marine Science and Technology (Japan) 2016; 21(3): 533 – 551.Abaei M. M., Hekkenberg R., BahooToroody A. A multinomial process tree for reliability assessment of machinery in autonomous ships. Reliability Engineering and System Safety 2021; 210: 107484.Abaei M. M., Hekkenberg R., BahooToroody A. A multinomial process tree for reliability assessment of machinery in autonomous ships. Reliability Engineering and System Safety 2021; 210: 107484.Knežević V., Orović J., Stazić L., Čulin J. Fault tree analysis and failure diagnosis of marine diesel engine turbocharger system. Journal of Marine Science and Engineering 2020; 8(12): 1004.Knežević V., Orović J., Stazić L., Čulin J. Fault tree analysis and failure diagnosis of marine diesel engine turbocharger system. Journal of Marine Science and Engineering 2020; 8(12): 1004.Vera-García F., Rubio J. A. P., Grau J. H., Hernández D. A. Improvements of a failure database for marine diesel engines using the RCM and simulations. Energies 2019; 13(1): 107.Vera-García F., Rubio J. A. P., Grau J. H., Hernández D. A. Improvements of a failure database for marine diesel engines using the RCM and simulations. Energies 2019; 13(1): 107.Wang M., Ge Q., Jiang H., Yao G. Wear fault diagnosis of aeroengines based on broad learning system and ensemble learning. Energies 2019; 12(24): 4750.Wang M., Ge Q., Jiang H., Yao G. Wear fault diagnosis of aeroengines based on broad learning system and ensemble learning. Energies 2019; 12(24): 4750.Szkoda M., Kaczor G., Pilch R., Smolnik M., Konieczek Z. Assessment of the influence of preventive maintenance on the reliability and availability indexes of diesel locomotives. Transport Problems 2021; 16(1): 5 – 18.Szkoda M., Kaczor G., Pilch R., Smolnik M., Konieczek Z. Assessment of the influence of preventive maintenance on the reliability and availability indexes of diesel locomotives. Transport Problems 2021; 16(1): 5 – 18.Fernández A. J. Optimal durations of Weibull reliability tests based on failure counts. Computers and Industrial Engineering 2021; 156: 107247.Fernández A. J. Optimal durations of Weibull reliability tests based on failure counts. Computers and Industrial Engineering 2021; 156: 107247.Mechalikh M., Benhammou A., Zidane I., Bettahar A. Study of piston thermo-elastic behaviour under thermomechanical solicitations. International Journal of Automotive and Mechanical Engineering 2019; 16(4): 7287 – 7298.Mechalikh M., Benhammou A., Zidane I., Bettahar A. Study of piston thermo-elastic behaviour under thermomechanical solicitations. International Journal of Automotive and Mechanical Engineering 2019; 16(4): 7287 – 7298.Berni F., Cicalese G., Borghi M., Fontanesi S. Towards gridindependent 3D-CFD wall-function-based heat transfer models for complex industrial flows with focus on in-cylinder simulations. Applied Thermal Engineering 2021; 190: 116838.Berni F., Cicalese G., Borghi M., Fontanesi S. Towards gridindependent 3D-CFD wall-function-based heat transfer models for complex industrial flows with focus on in-cylinder simulations. Applied Thermal Engineering 2021; 190: 116838.Liu H., Wen M., Yang H., Yue Z., Yao M. A Review of Thermal Management System and Control Strategy for Automotive Engines. Journal of Energy Engineering 2021; 147(2): 03121001.Liu H., Wen M., Yang H., Yue Z., Yao M. A Review of Thermal Management System and Control Strategy for Automotive Engines. Journal of Energy Engineering 2021; 147(2): 03121001.Pagán Rubio J. A., Vera-García F., Hernandez Grau J., Muñoz Cámara J., Albaladejo Hernandez D. Marine diesel engine failure simulator based on thermodynamic model. Applied Thermal Engineering 2018; 144: 982 – 995.Pagán Rubio J. A., Vera-García F., Hernandez Grau J., Muñoz Cámara J., Albaladejo Hernandez D. Marine diesel engine failure simulator based on thermodynamic model. Applied Thermal Engineering 2018; 144: 982 – 995.Brodov Y. M., Grigoryev N. I., Zhilkin B. P., Plotnikov L. V., Shestakov D. S. Increasing Reliability of Gas–Air Systems of Piston and Combined Internal Combustion Engines by Improving Thermal and Mechanic Flow Characteristics. Thermal Engineering 2015; 62(14): 1038 – 1042.Brodov Y. M., Grigoryev N. I., Zhilkin B. P., Plotnikov L. V., Shestakov D. S. Increasing Reliability of Gas–Air Systems of Piston and Combined Internal Combustion Engines by Improving Thermal and Mechanic Flow Characteristics. Thermal Engineering 2015; 62(14): 1038 – 1042.Бродов Ю. М., Жилкин Б. П., Плотников Л. В. Снижение тепловой напряженности впускных и выпускных систем двигателей внутреннего сгорания с наддувом. Надежность и безопасность энергетики 2016; 1(32): 19 – 23.Brodov Yu. M., Zhilkin B. P., Plotnikov L. V. Reducing the thermal stress of the intake and exhaust systems of supercharged internal combustion engines. Safety and Realiability of Power Industry 2016; 1(32): 19 – 23. (In Russ.)Плотников Л. В. Нестационарные тепломеханические процессы в системах газообмена поршневых двигателей с турбонаддувом: монография / под общ. ред. Б. П. Жилкина, Ю. М. Бродова. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та 2020;: 204.Plotnikov L. V. Non-stationary thermomechanical processes in gas exchange systems of piston engines with turbocharging: monograph / under total. ed. B. P. Zhilkina, Yu. M. Brodov. Yekaterinburg: Ural University Publishing House 2020;: 204 p. (In Russ.)

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