Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ конструкции систем охлаждения судовых малоразмерных дизелей 8
1.1 Обзор конструкций и области применения судовых Малоразмерных дизелей 8
1.2 Обзор конструкций систем охлаждения 18
1.3 Обзор температурного состояния элементов рабочего цилиндра 30
1.4 Направления развития судовых малоразмерных дизелей на ближайшую и среднесрочную перспективу 35
Выводы. Цель и задачи исследования 37
2. Задачи теплопередачи и теплопроводности в ДВС 39
2.1 Анализ методов теоретического исследования теплообмена в дизелях 39
2.2 Влияние теплового состояния судового малоразмерного дизеля на эффективность рабочего процесса и работоспособность деталей ЦПГ 50
2.3 Конечно-разностный метод решения уравнения теплопроводности 53
2.4 Особенности задания граничных условий для уравнения теплопроводности 55
2.5 Разработка модели процесса теплопроводности через втулку 61
2.6 Оценка погрешности конечно-разностной аппроксимации уравнения теплопроводности 65
2.7 Математическая модель теплопередачи через цилиндровую втулку 67
Выводы 70
3. Экспериментальное исследование теплового состояния рабочего цилиндр 71
3.1 Методы и уровень экспериментального исследования температурного состояния деталей дизелей и параметров теплообмена 72
3.2 Экспериментальная установка, приборы и аппаратура 79
3.3 Внешние показатели двигателей 4Ч9,5/11 и 4ЧН9,5/11 90
3.4 Результаты термометрирования цилиндровой втулки 94
3.5 Оценка теплового и напряжённо-деформированного состояния цилиндра 97
Выводы 100
4. Решение задачи теплонапряжённого состояния цилиндровой втулки форсированного дизеля 101
4.1 Общие вопросы рассмотрения и решения дифференциальных уравнений теплопроводности в цилиндре 101
4.2 Результаты расчёта полей температур и тепловых потоков 109
4.3 Управление напряженно-деформированном состоянием цилиндровой втулки 111
Выводы
Заключение
Список литературы
- Обзор температурного состояния элементов рабочего цилиндра
- Особенности задания граничных условий для уравнения теплопроводности
- Внешние показатели двигателей 4Ч9,5/11 и 4ЧН9,5/11
- Общие вопросы рассмотрения и решения дифференциальных уравнений теплопроводности в цилиндре
Введение к работе
Актуальность. Любые работы, связанные с усовершенствованием эксплуатационных характеристик тепловых машин, в том числе и двигателей внутреннего сгорания, должны предваряться исследованием их теплового состояния на стадии, предшествующей усовершенствованию. Под тепловым состоянием следует понимать значения и уровень температур основных элементов рабочего цилиндра, значения и уровень локальных тепловых потоков и общих количеств теплоты, переданных теплоносителю системы охлаждения и далее, в окружающую среду. Эти данные, полученные различными способами, будут являться исходными для правильного выбора направлений усовершенствования и будут служить реперными точками для сравнения того что было и что получилось в результате проведённых работ и позволит ли достигнутый уровень теплового состояния обеспечить дальнейшую длительную эксплуатацию машины с сохранением её функциональных характеристик. Теории и методике расчёта систем охлаждения и теплообмена в них посвящены работы Р.М. Петриченко, М.Р. Петриченко, М.К. Овсянникова, Н.Х. Дьяченко, Г.Б. Розенблита, А.К. Костина, Р.З. Кавтарадзе, О.К. Безюкова. В этих работах рассмотрены различные подходы к решению задач теплопроводности, теплопередачи и теплообмена в двигателях внутреннего сгорания, некоторые из которых используются в настоящей работе. Судовые дизели типов Ч8,5/11 и Ч9,5/11, несмотря на длительный срок со времени их постановки на производство и не претерпевшие за этот срок каких-либо значительных конструкционных улучшений, характеризуются сравнительно низкими функциональными показателями на фоне данных лучших зарубежных аналогов. Тем не менее дизели Ч8,5/11 и Ч9,5/11 широко используются в качестве, как главных, так и вспомогательных на кораблях ВМФ, на судах коммерческого флота и в качестве приводов ряда промышленных агрегатов. Учитывая то, что данные типоразмеры дизелей не имеют аналогов в Российской Федерации, проблема их совершенствования не вызывает никакого сомнения. Поэтому рассмотрение частного вопроса совершенствования системы охлаждения и управления напряжённо-деформированным и температурным состоянием рабочего цилиндра одного из их типоразмеров - вихрекамерного дизеля 4Ч9,5/11 в его форсированном варианте - 4ЧН9,5/11, является давно назревшим и без сомнения актуальным.
Объект исследования - судовой малоразмерный дизель 4ЧН9,5/11.
Предмет исследования - процессы теплопередачи и конструкция системы охлаждения.
Целью работы является обеспечение работоспособности форсированного дизеля путём модернизации конструкции системы охлаждения на основе математического моделирования теплопередачи при улучшении функциональных характеристик машины.
Для реализации поставленной цели необходимо решение ряда научно-технических задач:
выполнить литературный обзор и анализ типов систем охлаждения дизелей Ч8,5/11 и Ч9,5/11;
исследовать способы оценки температурного состояния деталей двигателя теоретическими, расчётно-аналитическими и экспериментальными методами;
разработать математическую модель теплопередачи через стенку цилиндровой втулки для не осесимметричной задачи;
экспериментально исследовать температурное состояние цилиндровой втулки вихрекамерного дизеля в серийной комплектации и в форсированном, по среднему эффективному давлению, варианте;
решить математическую модель теплопередачи через цилиндровую втулку;
предложить модернизированную конструкцию системы охлаждения;
Методы исследования. В проведенных исследованиях применялись теоретический, экспериментальный и расчётно-аналитический методы. Методологической базой диссертационной работы являются исследования таких ученых, как Орлин А.С., Ваншейдт В.А., Круглов М.Г., Воинов А.Н., Луканин В.Н., Вырубов Д.Н., Дьяченко Н.Х., Семенов Б.Н., Иванченко Н.Н., Дорохов А.Ф., Овсянников М.К. и др.
Достоверность и обоснованность работы обеспечивались:
- использованием современных поверенных измерительно-регистрирующих
приборов;
удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными;
корректным применением указанных методов исследования;
определением погрешностей результатов измерений и расчетов.
Научная новизна.
новый принцип формирования одноконтурной системы охлаждения;
новый метод решения 3-х мерной задачи теплопроводности на основе 2-ву мерных;
новая методика выбора граничных условий для цилиндровой втулки;
принципиально новый подход к выбору конструкции системы охлаждения форсированного вихрекамерного дизеля.
Практическая значимость:
предложен принцип теплоотвода от цилиндра дизеля в зависимости от особенностей рабочего процесса;
получены действительные значения температурного состояния цилиндровой втулки и распределение тепловых потоков по её сечению форсированного варианта дизеля 4ЧН9,5/11;
получены данные для выбора направлений модернизации дизеля в целом.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на V Всероссийской научно-практической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии» (2013г.), III Международной научно-практической конференции «Инновационное развитие транспортно-логистического комплекса Прикаспийского макрорегиона» (2014г.), III Международной научно-практической конференции «Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки» (2014г.), IV Международной научно-практической конференции «Инновационное
развитие транспортно-логистического комплекса Прикаспийского макрорегиона» (2015г.).
Публикации. Материалы диссертационного исследования представлены в 9 научных публикациях, из них 7 по перечню ВАК, в том числе свидетельство Роспатента РФ о государственной регистрации программы ЭВМ «Tempo» № 2015617534 от 14.07.2015г.
Личный вклад автора. В работе обобщены результаты теоретических исследований, выполненных автором самостоятельно, а также экспериментальных исследований, которые были выполнены совместно с сотрудниками кафедры СиЭКМТ. При этом автору принадлежат постановка задач теоретических и экспериментальных исследований, результаты анализа и обобщения полученных расчетных и экспериментальных данных. Разработка и реализации программы расчёта теплопередачи «Tempo» велась в соавторстве с сотрудниками кафедры «Информационная безопасность».
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 44 рисунка. Работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка использованной литературы из 93 наименований и приложения.
Обзор температурного состояния элементов рабочего цилиндра
Для удаления воздуха из системы охлаждения служит кран на выхлопном коллекторе, а для слива воды предусмотрены сливные краны на блоке цилиндров и холодильнике, а также пробки на насосах.
Расширительный бачок обеспечивает длительную работу дизеля без доливки воды в систему и позволяет воде расширяться при нагревании. Температура воды на выходе из двигателя контролируется термометром. Системы охлаждения двигателей стационарных, промышленных или наземного транспорта, как правило, в качестве теплорассеивающего устройства имеют воздушный радиатор. В качестве охлаждающих жидкостей в этих системах используют воду или антифризы. Средой, в которую отводится теплота, в данном случае является воздух. Вода или антифриз играют роль промежуточного теплоносителя, отнимающего теплоту от нагретых деталей двигателя и передающего её воздуху в теплообменнике – радиаторе.
Примером может служить замкнутая одноконтурная система охлаждения дизелей 5П2, 8П2, 10П2, и 5П4 стационарного исполнения, [21, 23].
Насос нагнетает воду по трубке коллектора в нижнюю полость головки цилиндров непосредственно к охлаждаемым поверхностям – выхлопным каналам, камерам сгорания, форсункам. Нагретая вода из верхней полости головки через термостат поступает в радиатор, где охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором, после чего снова поступает к насосу. Когда температура циркулирующей воды ниже 70С термостат автоматически направляет весь её поток к циркуляционному насосу, минуя радиатор. В водяную полость блока вода попадает из головки цилиндров и равномерно втулки цилиндров за счёт свободной конвекции. Для облегчения пуска дизеля при минусовой температуре в систему охлаждения может включаться подогреватель. При прогреве дизеля вода подаётся насосом в котёл подогревателя, нагревается, а затем поступает в полости блока и головок цилиндров. Отдав теплоту втулкам и головкам цилиндров, вода через термостат возвращается к насосу.
Замкнутые системы охлаждения выполняются закрытыми или открытыми Открытые системы охлаждения сообщаются с атмосферой. В этом случае температура охлаждающей жидкости (воды) не должна превышать 8590С. Верхний предел температуры охлаждающей воды в этом случае ограничен из-за опасности возникновения паровых мешков, нарушающих нормальные условия охлаждения и ведущих к местным перегревам двигателя.
Закрытые системы изолированы от атмосферы. В связи с этим повышение температурного уровня охлаждения возможно до 90120С при поддержании во всей системе повышенного давления (в том числе и в расширительном бачке). Такие системы называются высокотемпературными. Их положительные и отрицательные свойства описаны в работе [63]. Зависимость температуры кипения воды от давления в системе охлаждения может быть приближённо оценена формулой [22]: t = ioo-4p, С (1.1) где Р - давление в системе охлаждения, кг/см2. При использовании воды во внутреннем контуре системы охлаждения к ней предъявляются следующие требования: общая жёсткость не более 0,2 мг-экв/л для высокооборотных двигателей; щёлочность не менее 2,5 мг-экв/л; содержание взвешенных веществ не более 10 мг/л; содержание хлоридов не более 50 мг-экв/л; водородный показатель рН = 7 8 при 20С. Более мягкая вода способствует образованию пены, а более жёсткая – разрушению масляной эмульсии [51]. В ходе предшествовавших исследований было установлено, что температурное поле цилиндровой втулки двигателя с камерой сгорания в поршне является практически осесимметричным [24] и здесь ядро математической модели процесса теплопередачи через стенку цилиндра может быть представлено в виде двумерного дифференциального уравнения теплопроводности в цилиндрических координатах (уравнение Лапласа). Те же исследования показали, что температурное поле цилиндровой втулки вихрекамерного двигателя является 3-х мерным, с большим смещением максимума температур в сторону вихревой камеры. Тогда ядро математической модели будет иметь вид 3-х мерного дифференциального уравнения теплопроводности.
Для того, что бы задача нахождения распределения температур и тепловых потоков по телу цилиндровой втулки была решена для данного конкретного случая необходимо задать условия однозначности решения, под которыми понимаются геометрические и граничные условия. Геометрические условия задают размеры и форму тела, т.е. представляют собой чертёж объекта. Граничные условия должны быть заданы со стороны всех поверхностей, ограничивающих данное тело в пространстве в виде значений температур, их функций или параметров теплопередачи и теплообмена и увязаны на стыках поверхностей при переходе из одной в другую.
Особенности задания граничных условий для уравнения теплопроводности
Следовательно, температура на тепловоспринимающих поверхностях деталей, образующих объём КС дизеля, будет являться сложной функцией от параметров состояния рабочего тела в каждый момент времени, условий обмена энергией на границе газ-поверхность, характера гидродинамики потока в пограничном слое. Поэтому граничные условия первого рода при постановке задачи теплопроводности теплообмена в дизелях практически не используется, так как создать функцию в виде (2.22) чрезвычайно сложно, а если она и будет каким-либо образом задана, достоверность ее трудно доказуема.
Также обстоит дело и с граничными условиями второго рода, с заданием функции q в виде (2.22). Плотность теплового потока очень сложная функция, зависящая не только от условий теплообмена на границе газ-твердое тело, но и от совокупности сопротивлений на пути следования теплового потока теплоотдачи от твердого тела к охлаждающей среду.
В этой связи чаще всего задача, описывающая теплопередачу и теплообмен в КС дизеля, представляется в следующей постановке. Теплопередающие стенки деталей ЦПГ дизеля воспринимают тепло от рабочего тела и передают охлаждающей воде. Отсюда вытекает сама задача: передача теплоты теплопроводностью через стенку при граничных условиях третьего рода, т.е.
Подобный подход к задаче теплообмена в дизеле имеет существенные недостатки, в частности, в определении Щ- и Тт . Кроме того, в классической литературе [21, 42, 86] имеются достаточно четкие указания на весьма ограниченный круг задач нестационарного теплообмена, которые можно решать на основе формулы (2.26).
Двигатели внутреннего сгорания, и малоразмерные дизели в частности, в силу своего целевого назначения работают в различных областях нагрузок и частот вращения коленчатого вала в пределах транспортных характеристик. В связи с этим, установление действительных температурных полей в любой момент времени представляет сложную задачу нестационарной теплопроводности. Вместе с этим каждый двигатель имеет ряд режимов работы, куда входит нормальный и перегрузочный режимы, для которых определяются его определенные технические характеристики с тем, чтобы иметь возможность интерполировать их для любого режима работы, не вошедшего в этот ряд. Для большинства дизелей, назначением которых является работа по нагрузочной характеристике, такими долевыми режимами являются: работа дизеля с развиваемой им мощностью в 25, 50, 75, 100 и 110% от Ne ном , где Ne ном -номинальная эффективная мощность двигателя. Технические характеристики дизеля на каждом из перечисленных режимов считаются установившимися, т.е. независимыми от времени.
Следовательно, если рассматривать процессы теплопередачи и теплообмена на одном из долевых режимов, технические характеристики двигателя на котором установившиеся, то и процессы теплопередачи и теплообмена можно считать независимыми от времени или приблизительно стационарными (квазистационарными). В таком случае температурные поля в твердых телах (втулке цилиндра. головке) могут быть описаны уравнение Лапласа V2t = 0. Для этого случая также, как было описано выше, задавать граничные условия в виде распределения температур по тепловоспринимающей поверхности трудно и вряд ли целесообразно, поскольку на поверхностях деталей, обращенных к рабочему телу, температурное поле установившимся не будет ввиду цикловых колебаний температур. Однако на глубине 1-1,5 мм в дизелях температурные волны практически затухают и на этой глубине для данного режима работы температурное поле детали будет установившимся. На поверхностях охлаждения деталей КС температурные поля также будут стационарными, так как охлаждающая среда не имеет цикловых изменений параметров состояния и в своей массе практически однородны (за исключением случаев кипения в рубашке охлаждения дизеля). Поэтому с целью определения действительных температурных полей в деталях, образующих объем рабочего цилиндра дизеля, граничные условия к дифференциальному уравнению теплопроводности могут быть заданы в виде:
Для определения параметров теплообмена - теплового потока в локальных коэффициентов теплоотдачи к воде граничные условия могут быть заданы в виде плотности теплового потока (со стороны объема камеры сгорания) и в виде коэффициента теплоотдачи от стенки к охлаждающей воде (со стороны полости охлаждения), т.е. 3. х = a.q = q(x0 ,} i, z±) 4. х =х, аь = ab (x, уг, z2) (2.28) где х– определяющая координата. Решив дифференциальное уравнение теплопроводности в граничных условиях (2.27) и (2.28), можно определить действительные температурные поля деталей КС дизеля на данном режиме, параметры теплопередачи в них и теплообмена на границе с охлаждающей средой на этом же режиме. Имея такие данные для всех долевых режимов работы дизеля, например, по нагрузочной характеристике, их можно экстраполировать на режимы работы дизеля с более высокими (на 10-15%) нагрузками, в частности, при возможной форсировании дизеля по ре. Это является важным фактором, так как на накопленном расчетном материале по серийной машине можно получить данные о температурном состоянии деталей КС параметров теплообмена для проектируемой или модернизируемой машины повышенной мощности аналогичной размерности, что, в свою очередь, позволит предусмотреть конструктивные мероприятия по организации охлаждения, оформлению деталей КС, выбору материала наиболее теплонагруженых деталей, не прибегая к сложным и длительным экспериментальным исследованиям. Поскольку одной из задач диссертации является исследование теплопередачи в малоразмерных дизелях, встает вопрос об уменьшении количества факторов, влияющих на параметры теплообмена. В данном случае речь идет об исключении искажений, вносимых в характер теплообмена при изменении конструктивного оформления деталей, образующих объём КС, при разных способах охлаждения. Поэтому в качестве детали, на которой конкретно должны быть исследованы процессы теплопередачи и теплообмена, наиболее удобно принять втулку цилиндра. Эта деталь конструктивно не меняется при изменении способа охлаждения, конструктивно несложная и позволяет вести расчеты в удобной системе цилиндрических координат.
Проведенные экспериментальные исследования температурного состояния втулок цилиндров дизеля при вихрекамерном смесеобразовании показали значительное различие в распределении температур, как по высоте образующей втулки, так и в плане. Втулка вихрекамерного дизеля характеризовалась значительной неравномерностью температурного поля в обеих проекциях. Математическая модель процесса теплопроводности через втулку цилиндра в общем виде достаточно сложная и включает в себя большое количество параметров и факторов геометрического, математического, теплофизического характера. Облегчает построение и отработку математической модели с тем, чтобы в дальнейшем перейти к рассмотрению более сложных случаев. Втулка цилиндров малоразмерного двигателя является вставной. Полость охлаждения образуется между наружной поверхностью втулки и внутренней поверхностью блока. Втулка фиксируется в цилиндре посредством верхнего фланцевого утолщения запрессовкой по установочному пояску. Направляющий цилиндрический поясок фланцевого утолщения имеет диаметральный зазор с посадочной поверхностью блока, рассчитанный на наибольшее расширение втулки при работе. Нижняя часть втулки уплотняется резиновыми кольцами, устанавливаемыми в канавках, что обеспечивает возможность осевого расширения втулки в процессе работы дизеля.
Внешние показатели двигателей 4Ч9,5/11 и 4ЧН9,5/11
Обработка полученной, посредством термометрирования, информации о температурном состоянии цилиндра форсированного дизеля подтвердила полученные ранее данные для этого типа двигателей [15]. Но для безнаддувной машины неравномерность распределения температур не была столь велика и это позволяло поддерживать её эксплуатационные показатели, в первую очередь ресурс до первой переборки, в приемлемых, для потребителя, значениях – 5 6 тысяч часов. Полученные данные для форсированного двигателя будут способствовать гораздо более высокому и неравномерному уровню напряжённо-деформированного состояния всех элементов ЦПГ, находящихся в сопряжении. По В.А. Ваншейдту [51] условные температурные напряжения, возникающие в цилиндровой втулке, будут, t = Eq/2 (1 – ) (3.10) где – среднее значение коэффициента теплопроводности чугуна – 0,168 Вт/(м час град); – среднее значение коэффициента линейного расширения, 12/106 на 1 С; - коэффициент Пуассона, 0,25; – средняя толщина стенки цилиндра в месте максимальных температурных значений, 0,019 м; Е – модуль упругости, 1,15(105) МПа; q – среднее значение количества теплоты, проходящего через стенку втулки, Вт/час.
Допускаемые напряжения, согласно [52], определятся по формуле, [ сж] = в сж в/kc [n] (3.11) где в сж = 1000 МПа, в = 1,0, kc = 1,0, n = 3 (согласно [5]). Тогда, [ сж] = 333 МПа. По аналогии с [51], термические напряжения составляют 1/3 от механических, то есть [t] = 111 МПа. Отсюда, допускаемый перепад температур по толщине стенки цилиндра составит, Т = 121 С. Следовательно, если принять за исходную температуру дефорсированного двигателя в 215 С, то допускаемая температура цилиндра составит 356 С, тогда, как максимальное действительное значение температур 262 С (табл. 3.4). Отсюда получается, что напряжённое состояние цилиндра находится в допускаемых пределах и ещё с некоторым запасом.
Важную техническую задачу представляет уровень температурных деформаций, которые определяются коэффициентом линейного расширения [6], где = (1/l)(dl/dT) - l определяющий размер детали в м (диаметр цилиндровой втулки по верхнему бурту – 0,133 м). Тогда преобразовывая уравнение для , как = (1/l) (l/T) получим приращение определяющего размера l = lT.
Подставив значения, получим l = 0,0004 м или 0,4 мм. Температурное расширение цилиндровой втулки на доминирующем режиме работы в 0,4 мм представляет собой серьёзную проблему с точки зрения работоспособности всего сопряжения ЦПГ, а ожидаемый рост уровня форсирования двигателя в пределах 30 35 кВт эту проблему ещё более ужесточает.
Таким образом, превалирующим фактором в данном случае является температура цилиндра. Первоначальное испытание дизеля на режиме мощности 30 кВт в его штатной комплектации по- кипение воды в системе охлаждения с вырывом пароводяной смеси через горловину расширительного бачка и стыки элементов системы охлаждения с гибкими связями; - прорыв газов через уплотнительный стык между блоком и головкой цилиндров (возможно в силу упругих деформаций огневого днища). В этой связи система охлаждения была переведена из термосифонной в полнопроточную, с подводом воды в нижнюю часть блока цилиндров через сливной штуцер. Нагрузка двигателя была уменьшена до 27 кВт. При этих условиях двигатель работал устойчиво без негативных внешних проявлений. Это позволило произвести полный цикл испытаний по снятию характеристик. Тем не менее мощности в 30 и 35 кВт являются плановыми и фактически достижимыми и казало невозможность его работы по следующим причинам: для этого необходима оценка теплового и напряжённо-деформированного состояния при предельных мощностях.
Поскольку ожидаемая мощность при повышенном и высоком уровне форсирования в 30 и 35 кВт несомненно приведёт к ещё большему повышению температурного и, следовательно, напряжённо-деформированного состояния всех элементов рабочего цилиндра. Так, экстраполируя полученные максимальные значения температур при мощностях в 22 и 27 кВт (термопара 7 - рис. 3.17 и таб. 3.4 и 3.5) до значений мощности в 35 кВт 337 — 350 С, получим значение деформации цилиндровой втулки в 500 мкм. При таком абсолютном значении деформации (удлинения), относительное значение удлинения будет = l/l0, где l — деформация цилиндра (500 мкм), l0 — исходная величина размера цилиндра (0,133 м). Тогда значение относительного удлинения будет 0,004. При таком значении относительного удлинения действительные значения напряжений составят 460 МПа, т. е. условие прочности д [] выполняться не будет. Следовательно, необходимо снижение абсолютного температурного уровня цилиндровой втулки во избежание потери работоспособности ввиду возможного разрушения [73].
Оценка погрешностей измерений Стандартные термопары с прибором МY62 имеют погрешность ±0,75 % или ± 3 С в интервалах температур до 400 С. Часовой расход топлива измерялся объёмным способом, посредством штихпробера и секундомера. Указательная колонка тарировалась мерной колбой с ценой деления0,2 мл. Погрешность секундомера составляла ± 0,2 с. Таким образом, относительная погрешность измерения часового расхода топлива не превышала 5 %, [30,37].
Наиболее приемлемым, с точки зрения точности, трудоёмкости, надёжности получения экспериментальных данных по температурному состоянию цилиндровой втулки, является метод термометрирования посредством хромель-копелевых термопар, изготовленных из стандартной тянутой проволоки диаметром 0,23 мм.
Из результатов эксперимента путем анализа полученных данных следует что температурный уровень цилиндра при достигнутой мощности является приемлемым для деталей ЦПГ, но напряжённо-деформированное состояние превышает допустимые значения. Для обеспечения работоспособности форсированной машины в лабораторных условиях при достижимых значениях мощности в 30 и 35 кВт в элементы остова необходимо внести конструктивные изменения для обеспечения жёсткости и прочности головки цилиндров, плотности и герметичности газовых стыков.
Для обеспечения работоспособности форсированного двигателя необходимо изменить принцип охлаждения (с термосифонного на полнопоточный), схему подвода охладителя, а также производительность насосов внутреннего и внешнего контура охлаждения и теплопоглощающую способность теплообменника.
Общие вопросы рассмотрения и решения дифференциальных уравнений теплопроводности в цилиндре
Метод основан на свойстве ряда материалов изменять твердость под действием высоких температур (так, термообработанные алюминиевые сплавы изменяют твердость при повышении температуры свыше 470 К). Этот метод очень неточен, так как невозможно установить на каком из режимов работы произошло измерение твердости, и, следовательно, необходимо дл каждого режима проводить специальные испытания с последующей разборкой дизеля. Кроме того, из-за колебаний в пределах допуска структуры материала, фазовые превращения наступают при разных температурах, что вносит значительную погрешность в результаты экспериментов. Часто материалы деталей ДВС незначительно изменяют твердость при нагреве и надо подбирать материалы индикаторы со сходными механическими свойствами, имеющими изменение твердости, пропорциональное температуре нагрева. На твердость материала влияют время прогрева детали, механические нагрузки на нее и т.д. Метод трудоёмок, его использование связано с деформированием детали после каждого опыта, поэтому он не используется при постановке точных экспериментов для всех типоразмеров двигателей. Этот метод можно применить для общей характеристики температурного поля несложных деталей на одном режиме работы двигателя, например, клапанов [50].
Метод плавких вставок. Основан на применении сплавов и чистых металлов, имеющих строго определённую температуру плавания и обладающих свойствами непосредственного перехода из твёрдой фазы в жидкую. Сплавы обычно устанавливаются в теле детали при помощи капсул. Температура определяется по выплавлению одной из двух или нескольких капсул, смежных по температуре плавления сплавов, установленных в исследуемом месте детали. Истинная температура лежит между температурами плавления выплавившихся сплавов. Точность измерения определяется интервалами температур плавления смежных элементов, плотностью и идентичностью посадки капсул. На деталях двигателей больших размеров количество капсул достигает нескольких сотен. Метод удобен тем, что отсутствуют конструктивные изменения в деталях, могущие повлиять на их температурные поля, нет необходимости в специальной измерительной аппаратуре. Однако методу присущи недостатки, как большая трудоемкость эксперимента, так как каждое измерение связано с разборкой двигателя, сложность установки капсул в детали, особенно с уменьшением размеров двигателя, кроме того, в этом случае уменьшается количество точек измерения, т.е. температурное поле будет неполным и уменьшается количество капсул на каждую точку, что снижает точность эксперимента. Следовательно, применительность метода для термометрирования малоразмерных дизелей незначительна. Термоиндикаторный метод измерения температуры. Метод основан на изменении цвета, фазового состояния или яркости свечения специальных лакокрасочных покрытий. Эти покрытия (термоиндикаторные краски, термоиндикаторные карандаши и термоиндикаторы плавления) позволяют быстро и более или менее точно контролировать тепловые колебания в широких пределах. Их применение не требует сложных операций или дорогостоящего оборудования [47, 48]. Однако метод имеет серьёзные недостатки, которые ограничивают применение его для исследований процессов теплопередачи и теплообмена в ДВС. Так, невысока точность измерений, невозможно определить изменение температуры во времени и, наконец, зависимость температуры изменения цвета от внешних условий (от времени вывода двигателя на рабочий режим, от времени выдержки на режиме, от воздействия охлаждающей жидкости и т.д.). Однако этот метод может дать картину температурного поля на поверхности детали и помочь установить места перегревов из-за больших градиентов температур. Поэтому в качестве дополнения к другим методам определения температурного состояния деталей ДВС и, в первую очередь, к электрическим, термоиндикаторный, при проведении предварительной градуировки, может оказаться достаточно эффективным.
Анализ способов экспериментального исследования температурного состояния деталей малоразмерных дизелей и параметров теплообмена в них показал, что наиболее применимым, с точки зрения точности измерений, их надежности, наличия материалов и приборов, является электрический, а именно – термоЭДС. Остальные методы могут быть полезны в качестве дополнения, расширяющего общую картину теплового состояния к основному методу.
Реальными и действительными путями решения проблемы тепловой нагруженности дизелей могут быть, на данном этапе развития науки о теплоэнергетике применительно к ДВС, только натурные измерения на экспериментальных моторных установках, накопление опытных данных по температурным полям и тепловым полам и их анализ совместно с аналитическими методами решения задач теплопередачи и теплообмена применительно к соответствующим конструктивным и технико эксплуатационным условиям.