Введение к работе
.АКТУАЛЬНОСТЬ.РАБОТУ_. Двигатели внутреннего сгорания являются важнейшей составной частью энергетической базы наролного хозяйства. Поэтому повышение энерговооруженности всех отраслей народного хозяйства требует развития и совершенствования производства двигателей внутреннего сгорания. Одним из существенных резервов повышения экономической эффективности работ по созданию современных и перспективных дизелей является сокращение трудоемких и дорогостоящих поволочных работ путем широкого внедрения в расчетную практику дизелестроения современных аналитических методов, построенных на основе математических моделей процессов, происходящих в цилиндре двигателя. В настоящее время для исследования теплового и напряженно-деформированного состояния детп-лей ЦПГ двигателя широко применяется метод конечных' элементов (МКЭ). Очевидно, что его применение должно основываться на точных и достоверных методах задания граничных условий по теплообмену, причем раздельно по конвективному и радиационному, учитывая их различимо механизм перенося и физическую природу. Используемый в настоящее время в расчетной практике двигателе-строенил земельный метод не позволяет применять его в полной мере для расчета локальних характеристик радиационного теплообмена в цилиндра дизеля из-за отсутствия достоверных данных сб иплучокцих характеристиках поверхностей КС, в частности степени черноты стенки.
Ц-ЛІОЖШ'У; . Основной целью диссертационной рзботк являлось: р<і:>р.''*')ткз экспериментального методі исслгтеч'-пил излучч-renMM'V »ерз!П'еристик топлоііоопрннимавднх ПТІРХМОГТ-'І К'.! В Д»\
ОКСГОрИГ^НТ.ТЛМЮ-ТСОрОТИЧГСКО'' !!Г'','!ОПс;П!'І'Є y0 4.)*:!'i'< !'VV"":!"!<
ного теплообмена;В КС дизеля, а также использование полученных опытных данных для развития теории радиационного теплообмена в КС дизеля и совершенствовании методов расчета радиационного теплообмена. J
РУЧНАЯ. Н0ЕИЗНА_рАБОТЫЛ Впервые получены экспериментальные даннш о степени черноты поверхностей КС, позволяющие достоверно оценить роль физических, механических, оптических свойств и собственного излучения деталей ЦПГ в формировании радиационной тепловой нагрузки. Предложена классификационная схема формирования экран-поверхностей в зависимости от способа технического воздействия на эту поверхность.
ПРШ1ЩЕЩМ_ЗНАЧШ0СТЬ.. Разработана методика и создан стенд, позволяющий быстро и надежно определить излучательную способность любой твердой поверхности, которые могут быть использованы при проведении поисковых, конструкторско-технологических работ. Получение надёкных данных о степени черноты деталей ЦПГ позволит исключить произвольную форму её задания в расчетах радиационного Теплообмена и анализа теплонапряженного состояния деталей ЦПГ МКЭ при задании граничных условий по радиационному теплообмену. Результаты исследования позволяют существенно упростить методику расчета радиационного теплообмена.
.АПРОБАЦИЯ.РАЩШі Основные результата докладывались на:
Всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре "Рабочий процесс, теплообмен в ДВС и теплонапряженность их деталей", г.Санкт-Петербург, СШТУ, январь 1991 года;
постоянно действующим научно-техническом семинаре "Повышение
топливной экономичности и надежности быстрохопных дизелей" 2.
г,Барнаул Алтайский ГТУ, 1988-І99ІГ.Г., а также на научно-практических конференциях студентов, аспирантов и профзссор-ско-преподавательского состава института, г.Барнаул, Алтайский ГТУ, І988-І39ІГ.Г.
ПУЩШЩИ. По теме диссертационной работы опубликовано
три печатные работы. і
ОБЬШ_РАБ(ЛУ: Диссертация состоит из введения, четырех глав основных выводов и приложения. Работа содержит 120 страниц основного текста, 44 страницы иллюстраций, 19 таблиц, 2-х фотографий и приложение на 2 листах.
СОДЕРЖАШ.РАБОт.
Й-Ввелении^обосновывается актуальность исследования, излагаются положения, выносимые автором на защиту, раскрывается научная новизна и практическая ценность работы.
И_0рвой_главе проведен анализ экспериментально-расчетных методов исследования граничных условий радиационного теплообмена в КС ДВС, которому посвящены работы российских и зарубежных исследователей (Сурикова Ю.А., Андрианова В.Н., Костина А.К., Петриченко P.M., Батурина С.А., -Строломского М.8., Лоскутова А.С, Синицыня В.А., Шиткея). Особое внимание при анализе удалено физическим условиям и определяющим показателям радиационного теплообмена. Показано, что г";?ичроки более оправдано и теоретически обосновано расчет рапнлциенного теплообмена провопить по интегральной по спектру излучения степени черноты излучателя (С*) и сре-пнемассовоИ по объему температуре сажистых частиц (ТЫ. Дм) анализ пкепе; иментальннм методам и сретстпзм изучения Различимого теплообмена в Д13С, п частности списан мгтед ептчч^З!С"'г'о it'j-.cf-;t-
рования применительно к конкретному двигателю и проанализированы методы исследования параметров радиационного теплообмена с помощью датчиков-радиометров. Проведенный анализ методов и средств аналитического исследования параметров теплового излучения в цилиндре дизеля показал, что приме іитеььно к ДВС целесообразно использование зонадьного метода определения локальных -энергетических характеристик радиационного теплообмена. В то же время отсутствуют экспериментальные данные по, степени черноты тепловоспри-нимаюцих поверхностей КС, единичные же работы по опытному определению с ст. деталей ЦПГ дают основания использовать их в расчетах радиационного теплообмена, т.к. они получены только для деталей ЦПГ карбюраторных ДВС и в узком (100-250С) интервале температур этих деталей. Отсутствие экспериментальных данных по С ст. поверхностей деталей КС дизелей не позволяет достоверно оценивать радиационную составляющую теплового потока и задавать граничные условия при расчетном анализе теплонапряженного состояния детаДей ЦПГ, например, МКЭ.
. В заключении первой главы сформулированы вышеуказанные цепь и задачи исследования.
&_522Р9й_главе проведен анализ современных методов и средств исследования интегральной излучательной способности твердых тел. Анализ показывает, что наибольшее распространение получил радиационный метод. На рис.1 представлена экспериментальная установка для определения интегральной излучательной способности твердых тел, изготовленная на базе современного агрегатного комплекта АПИР-С, в основе работы которого положен метод радиационной пирометрии. В качестве приемника излучения использован преобразователь пирометрического полного излучения ШГІ-ІЗІ 01, имеющий спектральный диапазон чувствительности 0.4...8мкм. Приемный элемент пред-
ставляет собой 14-спайную термобатарею из хромель-нопелевых фольговых термопар и лингы объектива, которал служит для получения изображения объекта п плоскости полевой диафрагмы. Полевая диафрагма жестко крепится на кронштейне с помощью винта и предназначена для получения эаяанного показателя визирования 1/25. Для уменьшения влияния температуры окружающей среды применена мостовая схема, где а данном плече моста включено медное сопротивление, которое располоиено в приемном устройстве и имеет надежный контакт с корпусом. Термобатареи имеют некоторый разброс чувствительности, поэтому для получения стандартной градуировочной характеристики предусмотрена апертурная диафрагма, перемещением которой осуществляется подгонка градуировочной характеристики. Дополнительная погрешность преобразователя, вызванная отклонением температуры его корпуса от (20і 5) С регистрируется термопарой и компенсируется поправкой.
Сигнал низкого уровня, пропорциональный измеренной темера-туре объекта, от первичного пирометрического преобрпзователя полного излучения ГО1Т поступает на преобразователь вторичный, который состоит из: блока промежуточного ІЇЇ1-0; блока усилителя ВУ-01 и блока питання Г-П. На блоке 1ІЛ-0 сигнал преобразуется и усиливается vo напряжения 0-2В. С выхода преобрпзопатсля про'/ся'уточ-ного постоянное иопгяжрние 0 - 2В, прспоршпнпльнсо-измеряемой температуро, поступает на ггегопноП усилитель іУ, где усиливается ч преобразуется в выходной сигнал ГСП (О...Ь»Л), который регистрируется блоком инпнкоиии, состоящим из прибора к.л^пг-'реггш-ного цифрового ЩШЗ. Питопио приборі осуществляется от бло'-.а питания ПІ. Для проверки работоспособности прео?ряос?'>т"лн пго-M'-tytirii'^ro ПП-0, л тонко всего приборі и п.с';И"ДИ'-'0:аг\\ "^ггрси-
КН 01'') Р" i)\;»Vn ОГ'ГПЛуОТЛЫМИ Л Прибор? ІН'ОПТОЯ 1ІЄНИ і:<'!"1.ОЛ'1. _
калибровки и установки нуля.
Температура исследуемых образцов измеряется хромель-копеле7 вой термопарой Т}СК-0379-01 на глубине I.. Л ,5мм от огневой повер-хности по центру'образца. Горячий спай термопары для обеспечения наилучших условий контакта между материалом детали и спаем под-жимается винтом,1 в холодный конец термостатируется при 30 С посредством осевого вентилятора и заслонки. Для поддержания требуемого температурного режима образца предусмотрены два контура регулирования. Первый контур обеспечивает регулирование истечения газа посредством редукционного клапана вентиля запорного. Второй контур обеспечивает необходимый тепловой поток с помощью газогре-лочного устройства. Погрешность, возникающая из-за неравномерного поля температур в образце свепена к минимуму за счет медленного нарастания и длительной стабилизации теплового потока на исследуемом режиме.
После проведения серии экспериментальных циклов проверялась стабильность показаний. Разброс показаний относительно средних значений не превышал 1..
На основании серии экспериментальных циклов разработана методика проведения эксперимента и получена рабочая формула для расчета интегральной нормальной степени черноты.
Порядок проведения эксперимента и обработки результатов:
-
Производит прогрев опытного образца В на установке (рисЛ).
-
Определяем истинную температуру образца по следующей схеме.
По прибору ПП-63 и табл.1 устанавливаем напряжение, соответствующее исследуемой температуре, используя зависимость
И»Иу-б , ' (I)
Где И - истинное значение показания потенциометра при соответствующей температуре испытания, мВ; Иу - установочное значение по-&
казаний -потенциометра при соответствующей температуре испытания, взятое из табл.І, мВ; б - поправочный коэффициент, учитывающий температурное состояние свободных концов термопары (б=»1.98мВ-град.табл. ГОСТ 3044-61).
3. Определение предварительного значения степени черноты.
По прибору ПП-63 фиксируем требуемое для определенной температуры напряжение И (с учетом поправки) и посредством переключения "Излучательная способность" на приборе ПВ-0 ориентировочно устанавливаем ток на блоке индикации Щ-43ІЗ, соответствующем исследуемой температуре согласно градуировочной характеристике табл.2.
4. Производим испытания
Изменяя подачу газа ручной редуктора, одновременно на блоке индикации Щ-43ІЗ визуально фиксируем значение тока согласно градуировке преобразователя табл.2 и отмечаем в момент перехода этого значения полученное значение напряжения на потенциометре ПП-63 (показания снимаем два раза: при а) нарастающем переходе; б) падающем переходе и заносим показания в сводную табл.3. Для перевода полученного напряжения в градусы необходимо определить среднее лначение напряжения и ввести поправочный коэффициент б с целью возможнойти использования табл.І. С/ср + а = i/ucrn'/r>. і/испу~.^> ' С (напряжение переводится в градусы по табл.І).
5. расчет степени черноты исследуемого образца
Для расчета степени черноты испытуемого образца используем полученную зависимость
* 7 '
где Сг? - интегральная нормальная степень черноты опытного образца при заданной температуре; сд - базовое значение степени черноты; 0,05 - приращение степени черноты, вызванное дискретностью установки; -се/ -исследуемое значение температуры, С; " - ере-) цнее текущее значение температурі,-С;Л поля допустимого'абсолютного отклонения'при данной температуре
где 0.04 - суммарная приведенная основная погрешность термометрического преобразователя.
В случае нарушения неравенства^/^ {t(/- ее ) (дня исследуемой температуры) производим корректировку С посредством переключения "Излучательная способность" на ПВ-0.
-
Для определения С исследуемого образца при других температурах пункты 2-5 повторить.
-
Определенные экспериментально значения степени черноты сводятся в таблицу, а затем строится график (табл.3, рис.2).
С целью пальнейшего сравнения полученных экспериментальных данных, по вышеизложенной методике, исследовались образцы металлов, имеющие наиболее полное литературное описание по степени черноты. На (рис.3,4,5) приведены некоторые результаты по степени черноты исследуемых образцов, которые показывают хорошую сходимость с литературными данными. Это позврляет нам сделать вывод о том, что данная установка пригодна для определения степени черноты деталей ЦПГ в ДВС.
Отличительной особенностью данной установки являются: - целенаправленное применение отдельных заводских блоков (как Пример АІІИР-С), что позволяет уйти от создания дополнительных
конструкций ( в частности отпала необходимость создания стенда модели черного тела для тарировки );
расширен предел температуры исследования степени, черноты от 300 до 600С;
нагревание опытного образца производилось Газогрелочньш устрой-ством с целью наибольшего приближения к.реальному процессу происходящему, в КС ДВС;
регистрация соответствующей температуры образца фиксировалась ХК термопарой, которая обладает "наибольшей" т.э.д.с. среди термопар, используемых для этих целей.
Метрологические характеристики и эксплуатационные возможности установки соответствуют техническим требованиям и обеспечиваюі решение поставленных задач в полном объеме и с достаточной точность».
В.з'ретьРЙ.главе проведен теоретический анализ взаимодейст
вия падающего излучения с поверхностью, на основе которого можно
предположить, что детали ЦПГ относятся к первой группе классифи
кации веществ по комплексному показателю преломления. Материалы,
отнесенные к первой группе, характеризуются высокими значениями
показателя поглощения^ 10. Радиационные свойства таких материа
лов определяются исключительно граничной поверхностью и для них
характерны очень высокие значения отражательной способности. В
подтверждение вышесказанного предположения явилось проведение
сравнительных экспериментальных исслепований по определению из.лу-
чптельной способности петалей ЦПГ при различных способах формиро
вания экран-поверхности. Для сохранения сопоставимости результа
тов соблюдались следующие условия: температура исследования опы
тных образцов 300С_; материал образца из поршня двигателя ЗИЛ-І30
(АЛ-30). 3
Исследуема^ поверхновть подвергается механическому изменению. Так в таблице 4 п.1 образец из поршня двигателя (яитьё-пос- тановка) имеет степень черноты равную 0,63. Значение степени черноты поверхности рбразца торцованной на станке ІК-62 равно 0,19, Полирование поверхности и обработка напильником дает практически одинаковое знамение степени черноты 0,42; 0,44.
В таблице 5 приведены результаты исследования воздействия на экран-поверхность, где существенное значение отводится среде воздействия. Данная среда воздействия в значительной степени формирует С ст. В таблице 5 пЛ средой,при которой происходит формирование экран-поверхности является "воздух". Наибольшее значение степени черноты равной 0,88 имеет образец, формирование поверхности которой произведена в среде "бензина".
В таблице 6 приведены результаты исследования степени черноты образца с нагаром, но с последующим воздействием "шабера".
На рис.6 прецставлены результаты исследования опытных образцов из металла ст.їО и АІ-30. Образцы имели теплоизоляционное покрытие AHjiOs , толщина покрытия 0,6мм. Из рис.6 видно, что материал образца не влияет на степень черноты, характер изменения кривой I (ст.20) и 2 (ле_30) совпадают. Кривая 3,построенная по литературным данным, изложенным в работе Блоха А.Г. отражает зависимость степени черноты оксида алюминия от температуры. Необходимо отметить общую тенденцию изменения экспериментальных и литературных данных.
На основании анализа литературных, а также экспериментальных данных нами была разработана классификационная схема формирования экран-поверхнортей (рис.7). Естественно, что деление на способы воздействия на экран-поверхность являются условным. В реаль-
Ю v
ности же наблюдается взаимное совмещение и существование многообразия как состояния поверхностей, так и способов их образования. Однако, данный подход позволяет охватить весь спектр задач по определению излучательных свойств поверхностей и выделить область практического экспериментального исследования для ДВС, а именно химический способ воздействия на экран-поверхность.
Анализ физических основ образования нагара в КС' позволяет сформулировать предположение о том,что для проведения исследования возможно использовать опытные образцы из.деталей ЦПГ после 50 часовой эксплуатационной наработки двигателя в условиях реальной эксплуатации.
При проведении "целевых" исследований решались следующие запачи: получить достоверные экспериментальные данные по степени черноты для различных поверхностей КС как для карбюраторных, так и для дизельных двигателей разного типа и назначения, а также определить зависимость С ст. от температуры исследуемой поверхности.
Экспериментальному исследованию подвергались образин из поршней двигателей A-4I; Д-37; ЯМЗ-740, взятые после 50 часов работы двигателя в условиях реальной эксплуатации. На рис.8 представлена зависимость С образца из поршня двигателя A-4I. Полученные значения степени черноты показывают стабильное значение при вариации температуры от 300 до 400С. Аналогичный характер распределения имеют данные с обрзяца из поршня двигателя Д-37 рис.9. Мы наблюдаем значение равное 0,01 при температурах от 300 400С. Образец из пориня пЕигателя ЯМЗ-740 имеет С =0,8 в интервале исследуемых температур рис.10. Таким образом на излучятельную способность не оказывает гуг^ественного значения ни марка двигателя (а следовательно и соотвРг'стпук>::1И[1 отому двигателю процесс сгорания рабочей
смеси) ни геометри^ КС. Во всех приведенных примерах мы имеем, относительно стабильное значение степени черноты равное 0,8,
На рис.11 приведены результаты эксдериментальных данных образца из поршня двигателя ВАЗ-?Ю1 (с толщиной нагара 0,4щм /нагар рыхлый/). Отмечено, что при увеличении температуры образца происходит значительное уменьшение степени черноты. ?ак, р|іц 50ОС С »0,68, Зависимость
На основе результатов экспериментального исследования в интервале температур от J60 до 60ОС (данные значений поверхностей КС от 160 до 250С взяты из работы Волкова А.Н.) для поверхностей карбюраторного двигателя была найдена зависимость (методом интерполяции) степени черноты от температуры,при которой формируется данная экран-поверхность.
где ie/it.t .- текущее значение степени черноты экран-поверхности КС; вії - текущее значение температуры, при которой происходит формирование экран-поверхности КС.
! Экспериментально доказано, что экран-поверхности в КС ДВС имеют два фазовых состояния этой поверхности, природа образова-
ния которых различна. В карбюраторном двигателе наблюдаем первое фазовое состояние,при котором происходит выгорание нагара, и как следствие изменение степени черноты в зависимости от температуры, которая определяется по выражению (3). В дизельном двигателе имеем второе состояние, где выгорание нагара не происходит, а излучательная способность поверхностей изменяется лишь в пре-делах от 0,96 до 0,8. Данные таблицы 7. отражают значения степени черноты поверхностей КС дизелей в зависимости от состояния экран-поверхности.
Результаты эксперимента по определению С для всех исследованных зол как для карбюраторного, так и для дизельного двигателей представлены в таблице 8.
В четвертой главе представлена уточненная зональная математическая мо.пель и методика расчета локального радиационного теплообмена в цилиндре дизеля при использовании реальных значений степени черноты поверхности камеры сгорания, полученных по предложенной методике.
В зональной модели радиационного теплообмена интегральное уравнение для результирующего теплового потока, определяющего тепловую нпгруженность петалей ЦПГ запишется следующим образом:
Є/>*л.ґя*/-=&*/ f,/f*pfoj*f/y, sf«J * (4)
\іпк видно, задача определения энергетических характеристик радиационного теплообмена распадается на два самостоятельных зтз-пч. Первый - определение угловых коэффициентов излучения К(!.1у ; Мк) и (М^ ; Мк), второй определение собственно локальных тепло-, пых потоков по уравнению (4) и характера их распределения по оле-ментлм трпловоспринимяющих поверхностей излучающей систем,!.
, В качестве;исходных данных при расчетах радиационного теплообмена зональным методам принимались: интегральная по спектру . излучения степень черноты дизельного пламени, среднемассовая те- ' мпература сажистых частиц, определение по методу оптического ин-цицирования цилиндра дизеля и полученные окспериментально локальные значения стецени черноты деталей поршня, крыши и втулки цилиндра.
В резулыгате расчетов получены поля локальных радиационных тепловых потоков для всех видов излучения (пацающего, эффективного, результирующего) как в функции угла поворота коленчатого вала, так и в функции относительного радиуса поршня и крышки цилиндра дизеля I ЧН 16/17. ( рис.14,15).
Обращает на себя внимание неравномерный характер распределения «J**A . по новерхностям крышки и поршня с максимумом в области наибольшей кривизны поверхности поршня и противолежащей поверхности крышки цилиндра. Данный факт следует учитывать при задании граничных условий по радиационному теплообмену при расчетном анализе тепяонапряжзнного состояния деталей ЦДГ дизелей.
вывода И РЕКОМЕНДАЦИИ
В результате проведенных комплексных, теоретических и экс
периментальных исследований можно сделать следующие основные вы
воды и рекомендации. \
, і
-
Задание граничных условий при проведении расчетов радиационного теплообмена в цилиндре двигателя осуществляется не корректно, требуются специальные целенаправленные исследования по их корректировке.
-
На базе использования современного агрегатного комплекта АПИР-С разработана и создана экспериментальная установка для определения степени черноты твердых материалов и деталей ЦПТ. Установка надежна в работе.
-
Разработана методика эксперимента и получена рабочая формула для определения степени черноты. Достоверность результатов измерений и их обработка достигается тарировкой и подтверждается хорошим совпадением с известными литературными данными.
4.' Подтверждено положение о том, что степень черноты определяется экран-поверхностью материала, состояние которой устанавливается способом формирования. Выполнена классификация способов формирования экргш-поверхностей и для ряда материалов получены численные значения степени черноты в зависимости от способе формирования экран-поверхности.
5. Для огневых поверхностей ДВС экран-поверхность есть слой нагара, образующийся в результате сложного химико-физического взаимодействия поверхности с субстанцией, находящейся в цилиндре, механизм которого по кснна не выяснен. Однако, стабилира-ция характеристик нагара после 50 часовой наработки дпигатзля»
полученная в исследованиях многих авторов, открывает возможность сопоставимости результатов различных исследований при условии работы с образцами,взятыми из деталей двигателей после их 50 часовой наработки.
6. Экспериментально доказано, что формирование акран-поверхности
в КС ДВС имеет два фазовых состояния этой поверхности, природа
образования которых различна, В карбюраторном двигателе мы на
блюдаем первое фазовое состояние (при котором происходит выго
рание саги, (нагара) и, как следствие, изменение степени чер
ноты в зависимости от температуры).' В дизельном двигателе
имеем второе состояние, где выгорание сажи (нагара) не проис
ходит, а излучательная способность поверхностей изменяется
лишь в пределах от 0,96 до 0,8 за счет наличия индикатрисы
рассеивания, которая образуется в слепствии различной геомет
рии КС и присутствия нагара.
7. В КС дизельного пвигателя выявлено существование двух зон:
зона один- это боковая поверхность цилинпра (имеющая значе
ния С =0,30-0,40) и зона два - все остальные поверхности КС,
значения степени черноты которых изменяется в пределах 0.80-
0,96 (с учетом влияния индикатрисы рассеивания).
8. В КС карбюраторного двигателя на основе литературных данных,
а также результатов эксперимента получена (методом интерполяции) зависимость степени черноты от температуры при которой происходит формирование экран-поверхности с ст.=/(?*). Так при температуре формирования экран-поверхности КС от 00+500С значения степени'черноты изменяются в пределах 0,96+0,5, 4b '
9. С учетом реальных значений С ст. были получены значения до- ' кального результирующего радиационного теплового потока C^V***) по поверхностям поршня, крыши и втулки для тодек граничной поверхности с координатами ^»=« 2/t
10.Распределение разультируощего радиационного теплового потока по поверхности поршня и крышки при фиксированном положении поршня, соответствующим /»10 п.к.в.,дизеля I ЧН 16/17 носит ярко выраженный неравномерный характер. Это обстоятельство необходимо учитывать при задании граничных условий по радиационной теплопередаче при расчете деталей ЦПГ на прочность методом конечных элементов.
II.Методика определения степени черноты деталей ЦПГ и результаты эксперимента всех исследованных зон (каїгдля карбюраторных! Так и для дизельных двигателей) представленные в работе могут быть использованы для расчета радиационного теплообмена в КС ДВС, а также при определении собственного теплового потока любой поверхности КС. '