Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Улучшение технико-экономических показателем дизеля уменьшением теплоотвода из камеры сгорания 7
1.1. Пути повышения топливной экономичности дизелей 7
1.2. Оптимальное тепловое состояние деталей, образующих камеру сгорания 8
1.3. Способы уменьшения теплоотвода из камеры ,ч сгорания 15
I.3.I. Повышение температуры охлаждающей воды и высокотемпературное охлаждение 15
1.3.2." Повышение термического сопротивления стенки камеры сгорания 18
1.3.3. Внутреннее охлаждение 26
1.4. Выводы по обзору. Задачи исследования 30
Глава 2. Качественный анализ теплопередачи через однородные стенки 32
2.1. Постановка краевой задачи для установившегося процесса периодической теплопередачи 32
2.2. Тепловой баланс плоской стенки 33
2.3. Температурный режим поверхности подвода теплоты 35
2.4. Классификация теплозащитных покрытий . 41
2.5. Выводы 45
Глава 3. Теоретический анализ эффективности использования тепловой изоляции в дизелях при разных условиях теплообмена 46
3.1. Влияние теплофизических свойств материала тепловоспринимающей поверхности на потери цикла 46
3.1.1. Расчетный цикл для определения потерь па теплопередачу 46
3.1.2. Расчет предельной эффективности покрытия
в повышении индикаторного к.п.д. дизеля 47
3.1.3. Теплопередача в композитной стенке 66
3.2. Влияние термического сопротивления покрытия и интенсивности охлаждения стенки на величины О и t 68
3.3. Внутреннее охлаждение при использовании теплозащитных покрытий 77
3.4. Эффективность покрытий' при работе дизеля на долевых нагрузках 82
3.5. Выводы 84
Глава 4. Экспериментальное исследование влияния покрытий ЇЇТС на технико-экономические показатели и тепловое состояние деталей ЦПГ 86
4.1. Используемые теплозащитные покрытия. Испытательные стенды и измеряемые параметры . 86
4.2. Влияние покрытий ПТС на параметры рабочего процесса и температуру деталей 93
4.3. Закономерности изменения температуры деталей при тепловом изоляции днища поршня 100
4.4. Интенсификация внутреннего охлаждения 112
4.4.1. Совместное использование впрыска воды и покрытий повышенного термического сопротивления 112
4.4.2. Тепловом баланс дизеля с газотурбинным наддувом при совместном использовании покрытий и впрыска воды 126
4.5. Выводы 138
Общие выводы 142
Рекомендации по практическому использованию результатов диссертационного исследования 145
Использованная литература
- Пути повышения топливной экономичности дизелей
- Постановка краевой задачи для установившегося процесса периодической теплопередачи
- Влияние теплофизических свойств материала тепловоспринимающей поверхности на потери цикла
- Используемые теплозащитные покрытия. Испытательные стенды и измеряемые параметры
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС по основным направлениям развития народного хозяйства ставятся задачи расширения производства дизельных двигателей с высокими технико-экономическими показателями. В условиях необходимости всемерной экономии топливно-энергетических ресурсов и увеличения потребности в дизельном приводе повышение топливной экономичности приобрело особо большое значение. В этом плане особый интерес представляют исследования, связанные с применением плазменных теплозащитных покрытий и направленные на разработку дизелей с умень< шенными тешцовыми потерями.
В настоящее время получили развитие работы по увеличению индикаторного к.п.д. за очет снижения теплоотдачи в стенки камеры сгорания. Одним из способов уменьшения теплоотдачи является повышение термического сопротивления деталей, образующих, камеру сгорания. Для этого на воспринимающие поверхности деталей наносят теплозащитные покрытия или изготавливают их целиком из керамических материалов. Исследования по применению разработанных ЦНИДИ покрытий повышенного термического сопротивления, толщиной до 3,5 мм, проведенные на дизелях с различными базовыми размерами ( D и S ) и разными уровнями форсировки показали, что такие покрытия могут быть использованы для значительного снижения теплоотвода из камеры сгорания дизеля, то есть для изготовления дизеля с уменьшенными тепловыми потерями.
Вопросом исследования теплозащитных покрытий с целью
- б -
улучшения технико-экономических показателей дизелей занимались Е.В.Коллегов, Б.П.Бойко, А.К.Костин, Л.И.Михайлов, А.Н.Корнилов, А.А.Зуев, Л.К.Аадусоо, Н.И.Захаров и другие исследователи. В результате были получены следующие результаты: разработаны составы покрытий и технология их нанесения; выявлены закономерности воздействия покрытий на рабочий процесс, температурный уровень деталей ЦПГ и эффективные показатели дизелей в зависимости от толщины покрытия. Однако эти закономерности установлены, в основном, для покрытий, толщина которых не превышает 0,35 мм. При увеличении толщины покрытия усиливается его воздействие на протекание рабочего процесса и процессов теплообмена. Не установлены также пределы возможного повышения индикаторного к.п.д. при использовании теплозащитных покрытий. Поэтому изучение закономерностей теплового взаимодействия тепловоспринимающей поверхности покрытия повышенного термического сопротивления и рабочего тела, а также выявление условий, при которых может быть получен максимальный эффект от использования покрытий является сложной и актуальной задачей.
Целью настоящей работы явился анализ теплопередачи в стенках, образующих камеру сгорания, при использовании тепловой изоляции и разных режимов охлаждения защищаемых деталей для повышения топливной экономичности дизелей. Результаты исследования могут быть использованы не только для повышения индикаторного к.п.д. и защиты деталей ЦПГ от перегрева при форсировании и доводке дизелей, но также для уточненного расчета рабочего процесса дизеля и разработки дизеля с уменьшенными тепловыми потерями. Работа направлена на решение части задач по комплексной программе ГКНТ 0.13.07.
Пути повышения топливной экономичности дизелей
Условием полного отсутствия теплоотвода из камеры сгорания является равенство температур рабочего тела Lr и тепловос-принимающей поверхности "t _ в любой момент осуществления рабочего цикла, то есть t„ = tc . Однако из теории тепло передачи известно Г ЗІ , 1 1» что разность температур Т.р Т всегда имеет место вследствие запаздывания по фазе колебаний температуры отенки по отношению к колебаниям температуры рабочего тела. Таким образом, избежать теплоотвода из камеры сгорания не представляется возможным. Кроме неизбежных потерь в процессе осуществления рабочего цикла приходится отводить теплоту от деталей ЦПГ для поддержания их теплонапряженности на допустимом уровне.
Теплонапряженность дизеля определяется [з] как температурное состояние цилиндропоршневой группы, оцененное по отношению к некоторым его критическим характеристикам с учетом свойств и условий работы металла, а также применяемых сортов топлива и масел. С точки зрения прочности теплонапряженность определяется напряженным состоянием деталей, возникающими в них термическими напряжениями которые, в свою очередь, определяются теплофизичес-кими свойствами материала (коэффициентом термического расширения, модулем упругости и коэффициентом Пуассона), величинами температурных градиентов, условиями нагревания и охлаждения, амплитудой и частотой температурных колебаний рабочего тела в цилинд-ре [З] ,[ } .
Температура соприкасающихся с маслом поверхностей не должна достигать значений, при которых наблюдается интенсивное лакооб-разование т.е. 250-270С [5 J (боковая поверхность головки поршня в зоне поршневых колец, верхний пояс цилиндровой втулки) и нарушение нормального режима смазки деталей , т.е. 140-180С I б I (рабочая поверхность тронка поршня.
Для оценки работоспособности дизелей при работе на форсированных режимах используется критерий теплонапряженности, предложенный А.К.Костиным 17 .С помощью этого критерия рекомендуется выполнять предварительную оценку теплонапряженности поршня при выборе его конструкции и способа охлаждения Г 8 J . Действительная напряженность деталей и их элементов значительно отличается от среднего значения теплонапряженности двигателя. Неодинаковая интенсивность подвода теплоты к различным элементам поверхности камеры сгорания объясняется различными скоростями движения газов, направлением топливных струй, термическим сопротивлением участка поверхности, интенсивностью тепло-отвода и другими факторами. Оценка теплового состояния деталей, ограничивающих камеру сгорания, является чрезвычайно важной задачей не только для уменьшения теплоотвода из камеры сгорания, но и для снижения их теплонапряженности Тепловое состояние деталей может быть оценено разными способами.
В основе классического способа решения этой задачи является расчетное определение коэффициента теплоотдачи Ыг от газа к стенке. Затем, при известных значениях температуры 1 результирующей по теплопередаче и условий теплоотвода во внешнюю охлаждающую среду определяется квазистационарный тепловой поток [ 9J .С помощью уравнения Ньютона при известном значении стационарного теплового потока определяется средняя температура тепловоспринимающей поверхности, а с помощью уравнения Фурье - распределение температур по толщине стенки. Для расчета коэффициента OL предложено большое количество формул [iol , позволяющих определить его мгновенные значения как для всей поверхности камеры сгорания, так и для отдельных ее частей. Однако эти формулы не позволяют определить локальные значения коэффициента oZp и дают большой разброс конечных результатов расчета.
Постановка краевой задачи для установившегося процесса периодической теплопередачи
Для установления качественных закономерностей изменения теплового состояния камеры сгорания решаем в общем виде нестационарную задачу нагревания в регулярном режиме плоской стенки. Стенка нагревается с одной стороны по закону внешнего теплообмена (граничные условия третьего рода) при переменных значениях температуры Тг рабочего тела и коэффициента теплоотдачи о/р . С противоположной стороны осуществляется стационарный теплоот-вод во внешнюю охлаждающую среду. Поскольку теплообмен происходит в периодическом режиме, то процесс нагревания стенки определяется условиями теплообмена и физическими свойствами материала стенки. левая часть выражения (2.5) равна количеству тепло-ты О , аккумулируемой в слое А единицей пло-ди тепловю.цпринимающей поверхности. Следовательно, уравнение (2.5) можно написать в виде:
Уравнение (2.6) выражает мгновенный тепловой баланс стенки. Из него следует, что при нагревании стенки лишь часть теп-лового потока Q- , прошедшего через тепловоспринимающую поверхность отводится во внешнюю охлаждающую среду (тепловой поток Ор ). Часть его (тепловой поток Q ) аккумулируется поверхностным слоем & , повышая его температуру. Из теплового баланса (2.6) следует, что при неизменных условиях теплообмена в случае периодического теплового воздействия уменьшить тепловой поток через тепловоспринимающую поверхность можно лишь за счет слагаемого Q применяя материалы с малой теплоакку-мупирующей способностью.
При расчете потерь рабочего цикла ДВС на теплоотдачу учи-тывают, как правило, лишь тепловой поток CU . Такой подход приемлем лишь при использовании для деталей, ограничивающих камеру сгорания, традиционных материалов. Поглощаемое стенкой количество теплоты Q при циклическом тепловом воздействии учитывается при тепловом расчете некоторых тепловых агрегатов, например, печей периодического действия І7б"] . В эшом случае использование легких теплоизоляционных материалов с малой теп лоемкостью и плотностью снижает потери теплоты в окружающую среду и на аккумуляцию теплоты футеровкой, что приводит к снижению расхода топлива.
Иначе, амплитуда колебаний на поверхности подвода теплоты тем больше, а фазовый сдвигг.чем меньше, чем меньше коэффициент теплопроводности материала стенки. Увеличение термического сопротивления (д"\ вызывает увеличение числа Карслру:: К= и, как следствие, рост mQCC 1р л х
Физическая сущность рассмотренных зависимостей заключается в том, что снижение теплоотвода во внешнюю охлаждающую среду и увеличение термического сопротивления стенки увеличивают аккумулирующую способность материала стенки, которая в данном случае выполняет функции регенератора. Теплота, аккумулируемая в процессе горения топлива поверхностным слоем А стенки отдается отработавшему газу и продувочному воздуху , повышая их энергию.
На рис.2.1 приведены результаты расчета перераспределе ния тепловых потоков в стенке из разного материала в зависимос ти от ее термического сопротивления Rcm . При выполнении расчета было принято, что стенка изготовлена из алюминиевого сплава ( ) и имеет первоначальную толщину 0Л равную 13 мм. На тепловоспринимающей поверхности используется теплозащитное покрытие из окиси алюминия Жп0дЛп=0,7Ьт/(м-к)) Расчет выполнен для условий теплообмена, соответствующих высокооборотному четырехтактному дизелю ( 1TL = 1500 об/мин). Были приняты следующие параметры теплообмена: коэффициент теплоотдачи ОІг Ср равен 291 Вт (м2К); температура результирующая по теплопередаче Тг_ла равна ІІ73К (900С). Расчет выполнен для разных значений термического сопротивления стенки. Увеличение термосопротивления стенки осуществлялось одним из двух способов: использованием покрытий разной толщины и соответст венным увеличением толщины стенки. При этом соблюдалось усло вие: йп д где 0П - толщина покрытия; А - эффективная глубина проникновения температурных пульсаций (для величина Л равна 0,15 0,20 мм). Результаты расчета стационарного периодического теплового состояния приведены в табл.2.2.
В зависимости от толщины, термического сопротивления и прочностных свойств, а также влияния.на температуру стенок и показатели рабочего процесса покрытия можно условно разделить на три группы:
К первой группе (зона I на рис.2.2) можно отнести тонкие покрытия, толщина которых приблизительно равна глубине проникновения температурных пульсаций в материал покрытия. Толщина покрытий этой группы, выполненных из керамики, не превышает 0,25-0,30 мм. Использование тонких покрытий несколько повышает среднюю температуру поверхности стенки. Уменьшение теплоотвода в стенки способствует возрастанию температуры заряда в конце сжатия, что является причиной улучшения некоторых показателей дизелей. Уменьшение стационарного теплоотвода через стенку примерно,на IOJS является причиной снижения температуры деталей и уменьшает теплоотдачу в воду.
Влияние теплофизических свойств материала тепловоспринимающей поверхности на потери цикла
Наряду со снижением потерь на теплоотдачу теплоизоляция оказывает влияние на изменение потерь цикла от неполноты и 511П и В несвоевременности сгорания ( О и 0 ио ). Разделить эти НП НС эффекты при анализе индикаторной диаграммы действительного цикла затруднительно. В связи с этим, для оценки эффективности покрытия в повышении индикаторного к.п.д. цикла за счет снижения потерь на теплоотдачу был рассмотрен промежуточный между идеальным и действительным цикл. У этого цикла, как и у идеального, рабочим телом является идеальный газ, а процесс горения заменяется подводом количества теплоты, тождественного действительному. Отличие рассматриваемого цикла от идеального заключается в наличии теплоотвода в стенки, ограничивающие камеру сгорания, причем, теплоотвод учитывается как изменение значения энтальпии рабочего тела в камере сгорания за счет действия внутреннего источника теплоты.
В расчете использовано предложенное Д.Д.Матиевским уравнение связи индикаторного к.п.д. с характеристиками подвода и отвода в процессе тепловыделения теплоты / I /: ГДЄ tf С \i u нпі і/Г - соответственно потери теплоты в эталонном цикле (при мгновенном подводе теплоты), вследствие несвоевременности и неполноты сгорания, теплоотдачи. В рассматриваемом цикле и = О, следовательно: 4l= t- V-V (3.2)
Для определения возможного повышения индикаторного к.п.д. цикла в случае использования теплозащитных покрытий на тепло-воспринимающих поверхностях камеры сгорания был рассмотрен цикл со смешанным подводом теплоты, имеющем следующие параметры: = 16; Л = 1,5; J) =1,6. При расчете предполагалось, что теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры, а наличие покрытия не оказывает влияния на температуру рабочего тела. Индикаторная диаграмма рассчитывалась по методике /8/,/9/. Величины давлений PQ и Р приняты равными соответственно 0,095 и 7,7 МПа, а температура Т0 - равной 303 К. Коэффициенты ог для тактов сжатия и расширения оценивались по формуле Эйхельберга. Расчет величин Pp-iyC ); 1 = (ф),0 г= (ф)и Д =(ф\и их значения для промежуточных точек " К " приведены в таблице 3.1. В расчете принято, что на тактах выпуска и наполнения коэффициент OL , и температура Тг изменяются по линейному закону. ТемператураTroes результирующая по теплопередаче, равна 1226 К (993С), а сред нее зна чение ца цикл коэффициента УГ с теплоотдачи о г 481 Вт/м2К.
Нестационарное тепловое состояние стенки оценивалось совместным решением двух последних уравнений системы (ЗЛО). Для этого был использован итерационный методы Гаусса-Зайделя / 81 /. Зависимость температуры Т от времени была установлена решением уравнения (2.13).
Расчет эффективности теплозащитных покрытий в повышении индикаторного к.п.д. выполнен для алюминиевой стенки с теплозащитным покрытием из окиси алюминия ( jl(LQ_ ). При расчете были приняты следующие значения толщин стенки и покрытия и теплозащитных свойств используемых материалов: Ocm = 13 мм; бп = 0,6 мм; ЛСф= 228,72 Вт/(м.к); С. = 0,9378 ДжДкг.к); Сп = 1,130 ДжДкг.к); р = 2700 кГ/м3; рп = 3350 кГ/м3. Результаты расчета температур, площадей и промежутков времени приведены в табл.3.3. Результаты расчета количеств теплоты Q Ц П , а также температуры стенки приведены в табли цах (3.4), (3.5) и (З.б). Результаты расчета потерь цикла 0 приведены в табл.3.7. Для стенки без покрытия эти потери равны: Ь = 0,2798; а для стенки с покрытием: ад = 0,2336 Согласно выражению (3.3) теоретически возможное повышение индикаторного к.п.д. поршневой части дизеля при использовании теплозащитных покрытий для рассмотренного цикла равно: л?1= ЧІ-1!= С 5« = 0.0АБ2,т.е. 4,62
На рис.3.I приведены полученные в результате расчета отклонения У температуры тепловоспринимающей поверхности стенки от ее среднего значения ( Уг Т- — Т. ) на участке индикаторной диаграммы, соответствующем рабочему ходу. При наличии на поверхности стенки, образующей камеру сгорания, теплозащитного покрытия отклонение температуры У резко возрастает - его максимальное за цикл значение при принятых условиях теплообмена увеличилось во восемь раз. В результате увеличения В- и средней температуры поверхности стенки при использовании покрытий уменьшается теплоперепад 1 1 между рабочим телом и тепловоспринимающей поверхностью.
Используемые теплозащитные покрытия. Испытательные стенды и измеряемые параметры
При расчете эффективности теплозащитных покрытий в снижении потерь от теплоотдачи предполагалось , что покрытия не влияют на температуру рабочего тела и, следовательно, на протекание рабочего процесса. Однако многочисленными исследованиями различных авторов установлено, что тепловая изоляция оказывает на него значительное влияние. Подогрев заряда от горячих стенок и уменьшение теплоогвода в теплоизолированную поверхность способствует повышению температуры I Q конца сжатия. Происходящее при этом ускорение предпламенных процессов приводит к сокращению задержки самовоспламенения и оказывает влияние на протекание процесса сгорания. В этих условиях для снижения расхода топлива возникает необходимость регулирования с целью определения оптимального угла Фоп опережения подачи топлива. При использовании покрытий повышенного термического сопротивления регулировки угла Фоп недостаточно для доводки рабочего процесса.
С целью поиска факторов, воздействием на которые можно осуществить доводку рабочего процесса дизеля при использовании покрытий, было выполнено экспериментальное исследование влияния покрытий повышенного термического сопротивления на параметры рабочего процесса. Наряду с выбором угла Ц оп выполнялось регулирование давления начала подачи и скорости подачи топлива. Эксперименты выполнялись на дизелях 1410,5/13 и 8ЧН25/34.
На дизеле 1410,5/13 был установлен поршень из сплава АК4 с керметным покрытием варианта II на днище. В процессе выполнения экспериментов снимались регулировочные характеристики по углу при различных значениях начала подъема иглы форсунки. Эксперименты производились со штатным плунжером ( апл =6,5 мм) и с плунжером увеличенного диаметра ( Un/1 = 8,5 мм). Давление начала подъема иглы форсунки VHgaD изменялось от 8 до 13 МПа. При снятии характеристики частота вращения коленчатого вала поддерживалась равной 1500 об/мин. Характеристики снимались на номинальном режиме работы дизеля при установившейся температуре "tgbnc = 70С в течение 40 мин. После каждой переборки дизеля (выемки поршня) дизель прирабатывался в течении 80 ч.
При неизменном давлении PuEnn 1 равном ІЗ МПа, и оптимальном угле V on в 24 град.п.к.в. в случае применения покрытий угол задержки самовоспламенения \ , уменьшился на 30%, расход топлива О возрос на 2,3% , а температура отработавших - 95 ганов "t повысилась на 30С.
Регулировочная характеристика по углу опережения Ир ПРИ различных давлениях V о приведена на рис.4.4. Оптимальное давление Р о при использовании покрытий отличается от штатного и равно 10 МПа для всех углов If) . Оптимальное значение угла Ц 0п при штатном диаметре плунжера (d ПА = 6,5 мм) не зависит от давления и равно 24 град.п.к.в. Увеличение диаметра плунжера изменяет оптимальное значение углов Ц оп в сторону уменьшения. Б этом случае с повышением давления Рн j оптимальное значение угла Ц) уменьшается. При увеличении диаметра плунжера ( dn/, = 8,5 мм) и давлении Рцпо равном 10 МПа оптимальное значение угла Ц)оп равно 14 град.п.к.в.
Таким образом, применение теплозащитного покрытия повышенного тврмического сопротивления на днище поршня при оптимальной регулировке топливоподающей системы удельный расход топлива . снизился на 7 г/кВт-ч, то есть на 2%. При этом максимальная скорость нарастания давления снизилась с 0,9 до 0,5 МПа/град.пк продолжительность второй фазы процесса сгорания ДЦ) увеличилась с 4 до 7-Ю град.п.к.в. При использовании покрытия отмечено заметное снижение давления Рс (на 0,3 МПа). Большинство авторов отмечает при использовании покрытий увеличение давления Рс , но эти результаты были получены при использовании тонких покрытий. В случае использования высокотемпературного охлаждения [88j было отмечено снижение давления Р . Это можно объяснить уменьшением массового наполнения цилиндра воздухом при повышении температуры воздуха в конце наполнения.
