Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопросов по непрозрачной и полупрозрачной теплоизоляции КС двигателей .
1.1 Экспериментальные и теоретические исследования тепловых характеристик камеры сгорания при использовании непрозрачной теплоизоляции.
1.2 Характеристики коэффициента наполнения цилиндра, воспламенения и горения топлива при непрозрачной теплоизоляции.
1.3 Полупрозрачные теплоизолирующее покрытие на основе окисициркония с иттрием .
1.4 Заключение. 32
Глава 2. Процессы и эффекты в полупрозрачных материалах в качестве теплоизолирующего покрытия .
2.1. Процесс рассеяния и поглощения в полупрозрачных материалах.
2.2. Тепловое потоковое явление полупрозрачного материала. 37
2.3. Объемное отражение и коэффициент ослабления в полупрозрачных материалах .
2.4. Коэффициенты пропускания и отражения в полупрозрачных материалах.
2.5. Функция поглощенной лучистой энергии F(x). 53
2.6. Исследование процессов теплообмена в камере сгорания ДВС с полупрозрачным покрытием.
Глава 3. Экспериментальные исследования полупрозрачных материалов .
3.1. Оптические свойства полупрозрачных материалов. 66
3.2. Интегральный коэффициент излучения по длинам волн (инте-гральная степень черноты) в направлении нормали .
3.3. Спектральный коэффициент излучения (спектральная степень черноты) в направлении нормали.
3.4. Измерение оптических свойств полупрозрачных материалов. 69
3.4.1. Измерение оптических параметров в диапазоне ближе к ИК - излучению в полупрозрачной керамике из ZrC»2 + Y2O3.
3.5. Определение показателей рассеяния и поглощения полупрозрачного материала.
3.6. Экспериментальное метод определения профиль температуры полупрозрачного материала при воздействии тепловое излучение коротковолнового вида.
Глава 4. Исследование рабочих процессов дизелей с теплоизоляцией камер сгорания .
4.1. Влияние полупрозрачной теплоизоляции поршня на рабочий процесс ДВС.
4.2. Математическое моделирование профиля температуры полупрозрачных материалов на днище поршня ДВС .
4.3 Математическое моделирование характеристики коэффициента теплоотдачи а при полупрозрачной теплоизоляции.
4.4. Математическое моделирование потери теплоты qw от рабочего
85 тела при полупрозрачной теплоизоляции.
4.5. Математическое моделирование теплового потока q через днище поршня.
4.6. Математическое моделирование рабочего процесса при наличии и отсутствии полупрозрачного покрытия.
4.7. Экспериментальное исследование мощностных и экономических показателей дизеля ТМЗ-450Д при полупрозрачной теплоизоляции днища поршня.
Основные выводы и результаты.
Список литературы.
- Полупрозрачные теплоизолирующее покрытие на основе окисициркония с иттрием
- Объемное отражение и коэффициент ослабления в полупрозрачных материалах
- Интегральный коэффициент излучения по длинам волн (инте-гральная степень черноты) в направлении нормали
- Математическое моделирование профиля температуры полупрозрачных материалов на днище поршня ДВС
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современные тенденции развития дви-
гателестроения, а именно, форсирование двигателей по частоте вращения
и среднему эффективному давлению приводят к росту теплонапряженно-
сти основных их деталей и, в первую очередь, деталей цилиндропоршне-
вой группы. Проблемы оптимизации теплового состояния деталей дизеля,
обеспечения их безотказности и долговечности находятся в центре вни
мания ученых. Одним из путей снижения тепловой нагруженности дета
лей является теплоизоляция их с помощью керамических покрытий. Од
нако, как показали исследования многих авторов, теплоизолиация камеры
сгорания дизеля не всегда приводит к улучшению его экономических по- ?
казателей.
Интенсивные исследования теплоизолиации камеры сгорания дизелей с применением теплоизолирующих покрытий бьши приостановлены с конца XX столетия. Одной из основных проблем, вставших перед разработчиками, являлся эффект перегрева внутренних стенок камеры сгорания, что приводило к увеличению температуры газов в ее объеме. При этом не было достигнуто необходимого увеличения коэффициента полезного действия дизеля, достаточного для промышленного внедрения.
Но применение современных подходов к оптимизации рабочего процесса при высоких температурах стенок, а также новых технологий и материалов при конструировании камеры сгорания позволяет добиться существенного снижения тепловых потерь рабочего тела и позволит про-
15
должить на новом качественном уровне исследования
фундаментальной проблемы снижения тепловых потерь и теплонапря-
женности дизелей.
Так посредством создания вихревого движения заряда в цилиндре можно добиться эффекта внутренней адиабатизации камеры сгорания и снизить конвективную составляющую теплового потока на 30-40%. В то же время существенное влияние на сложный теплообмен оказывает лучистая компонента, которая достигает 40-50% общего теплового потока в дизеле. Решение проблемы влияния этой лучистой компоненты теплового потока на теплонапряженность деталей камеры сгорания может быть решена с применением полупрозрачных керамических покрытий.
В связи с этим изучение полупрозрачных теплоизолирующих покрытий камер сгорания дизелей представляется весьма актуальным. Объемные эффекты рассеяния и поглощения лучистой энергии в полупрозрачных покрытиях позволят снизить их поверхностную температуру, предотвратить перегрев камеры сгорания и уже на новом качественном уровне решать задачи адиабатизации рабочего процесса дизеля, повышения его коэффициента полезного действия, а также улучшения мощно-стных и экономических показателей.
Цель диссертационной работы. Разработка метода снижения тепловых потер и теплонапряженности дизелей с использованием полупрозрачных теплоизолирующих покрытий.
Задачи исследования заключились в:
исследовании теплового воздействия лучистого
коротковолнового компонента на стенке камеры сгорания дизеля с полупрозрачными теплоизолирующими покрытиями;
расчёте и теоретической оценке потерь теплоты рабочего тела дизеля;
исследовании процессов рассеяния и поглощения теплового коротковолнового излучения в объеме полупрозрачного теплоизолирующего покрытия во время сгорания в дизеле;
создании физической и математической модели процесса рассеяния и поглощения теплового излучения в полупрозрачных покрытиях в дизеле;
разработке расчетно-экспериментальной методики для оценки оптических параметров керамических материалов, используемых; в качестве теплоизолирующих покрытий в камере сгорания дизеля.
Объект исследования. Дизель ТМЗ-450Д с полупрозрачным теплоизолирующим покрытием поршня. Математическая модель процесса теплообмена в теплоизолированной камере сгорания дизеля. Экспериментальные установки для измерения оптических характеристик и температурного распределения модельных образцов полупрозрачного керамического покрытия при воздействии излучения в видимом и ближнем ИК (коротковолновом) диапазонах длин волн.
Методы исследования. Математическое моделирование теплопередачи в рабочем цикле дизеля. Экспериментальные исследования мощ-ностных и экономических показателей дизеля на моторном стенде. Мето-
17
дики теоретического ,и экспериментального исследования
оптических параметров и тепловых режимов полупрозрачных керамических теплоизолирующих материалов в условиях сложного теплообмена в камере сгорания дизеля. Экспериментальная проверка новой модели радиационного теплопереноса для полупрозрачных керамических образцов теплоизолирующих покрытий на основе чистых химических порошков окиси циркония и алюминия при воздействии коротковолнового теплового излучения.
Достоверность результатов и обоснованность научных положений и полученных результатов обусловлены: использованием классических уравнений теории рабочих процессов и теплопередачи в ДВС, фундаментальных законов радиационной теплофизики, современных численных методов реализации математических моделей, проведением экспериментальных исследований с применением современных измерительных приборов и оборудования, а также удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных результатов при оценке оптических параметров и температуры полупрозрачных покрытий, при оценке тепловых потерь в квазиадиабатных камерах сгорания дизелей полученных автором и другими исследователями.
Научная новизна:
Разработан метод снижения тепловых потерь дизеля с применением полупрозрачных теплоизолирующих покрытий нового класса на основе рассеивающих и поглощающих материалов.
Разработаны новые физические модели взаимодействия интенсивного коротковолнового излучения с рассеивающими и поглощающими тепло-
18 изолирующими покрытиями во время сгорания топлива в камере
сгорания дизеля.
Исследованы процессы теплообмена в камере сгорания дизеля с учетом влияния проникающего лучистого коротковолнового потока на тепловой режим и теплонапряженность новых полупрозрачных теплоизолирующих керамических покрытий.
Разработан расчётно-экспериментальный метод оценки коэффициентов рассеяния и поглощения модельных полупрозрачных теплоизолирующих покрытий по данным измерений коэффициентов отражения и пропускания (в ближнем ИК— диапазоне длин волн) для разнотолщинных керамических образцов на основе стабилизированной окиси циркония (Zr02 + 10%Y2O3).
Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели» московского государственного технического университета «МАМИ».
Основные результаты исследования были представлены в докладах на:
международной конференции "Non Ishothermal Phenomena and Processes in Physics and Mechanics. (PhM)". 27-11-2006. Ереван -Армения, 2006,
международной технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности». 28-29 ноября 2006 г., Москва-Россия, 2006,
4-м международном автомобильном научном
форуме МАНФ-2006, НАМИ, 25-26 октября 2006 г., Москва - Россия, 2006
международном конгрессе по автомобилям «World SAE Congress 2007. 16-19 апреля 2007 г., Детройт, Мичиган- США, 2007,
международном симпозиуме «3rd International Symposium Non equilibrium processes, plasma, combustion and atmospheric phenomena NEPCAP 2007». 25-29 июня 2007 г., Сочи - Россия, 2007,
международной конференции «8th International Conference on Engines for Automobile, September 16-20th, 2007. Неаполь - Италия, 2007.
Публикации. Материалы диссертации отражены в 10 печатных научных работах, из которых 6 статей, в том числе 5 в иностранных издательствах и 1 в сборнике, рекомендованном ВАК, а также в трех тезисах докладов на конференциях. Получено одно положительное решение на выдачу патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четыре глава, выводов и списка использованной литературы. Объем работы составляет 121 страниц, 37 рисунков, 14 таблиц, 118 наименования в списке литературы.
Полупрозрачные теплоизолирующее покрытие на основе окисициркония с иттрием
Моделирование при разных нагрузках и скоростях двигателя с полупрозрачной теплоизоляцией (окись циркония с иттрием) показьшают улучшение КПД от 2 до 2.7%9 по сравнению с стандартными двигателями.
Частично стабилизированный цирконий с иттрием применяется в исследовании адиабатного двигателя из-за его отличных теплоизолирующих свойств. Содержание 20% иттрия в окиси позволяет достичь более благоприятных значений термического расширения (9.6x10 б/К) для стабильности материала, как показывает исследования Мурхауса П10.
Прозрачность окиси циркония с иттрием позволяет проникать лучистой коротковолновой тепловой энергии внутрь этого материала, таким образом, объемный нагрев и распределение температуры зависит не только от кондуктивного теплообмена, а также от радиационного. Применение окиси циркония с иттрием в качестве полупрозрачного теплоизолирующего покрытия поршней ДВС защищает КС от мощной лучистой коротковолновой энергии процесса сгорания поглощающими и рассеивающими процессами полупрозрачного материала. Имеется опыт применения этих покрытии для теплоизоляции камер сгорания газотур бинных двигателей . Причем эти исследования показали, что появление сажи не сильно изменяет оптические свойства покрытия, а, следовательно, и его теплоизолирующие свойства.
Распределение тепловой энергии в объеме полупрозрачного материала за счет рассеивающих и поглощательных процессов теплового излучения коротковолнового вида являются также одним из способов повышения лучевой (радиационной) стойкости теплозащитных покрытий.
Проблема снижения тепловых потерь и теплонапряженности в КС дизельных двигателей с уменьшенным отводом теплоты и уменьшенным перегревом объема КС до настоящего времени не изучена до достаточной степени. Исследование полупрозрачных керамических материалов используемых в качестве теплоизолирующих покрытий КС дизельных двигателей требует создания и определения новой физической модели тепловых процессов в КС. Также необходимо создание методики расчета с учетом радиационного теплопереноса в рассеивающей, поглощающей и теплоизолирующей среде.
Учитывая предьщущие экспериментальные исследования при ис- . пользовании традиционных непрозрачных материалов, а также изучение оптических свойств и характеристик полупрозрачных материалов, можно сделать вывод о том, что полупрозрачные теплоизолирующие материалы поглощают и рассеивают внутри этого материала тепловую энергию от процесса сгорания; тем самым можно контролировать и снизить температуру стенок КС, этот контроль зависит от оптических коэффициентов Siegel, Robert, Thermal Radiation Effects Analyzed in Translucent Composite and Thermal Barrier Coating. NASA Lewis Research Center, USA. 1996. рассеяния и поглощения. Непрозрачные керамические покрытия не позволяют поглощать и рассеивать лучистую энергию коротковолнового вида, тогда возникает перегрев и теплонапряженность в КС.
Теплоизолированная КС в ДВС была создана с целью увеличения КПД с превращением большего количества теплоты в полезную работу. Двигатель внутреннего сгорания отводит одну третью часть тепловой энергии топлива в систему охлаждения и одну третью часть с выхлопными газами, лишь одна третья часть остается в двигателе как полезная теп-ловая энергия . Основная доля потери теплоты у стенок КС происходит в период заключительной фазы сжатия и в начале процесса сгорания топлива. Полупрозрачное керамическое покрытие через рассеяние и поглощение лучистого потока коротковолнового вида процесса сгорания позволяет фиксировать в определенном диапазоне профиль и внутреннее распределение температуры, а также предотвращает потери теплоты.
Объемное отражение и коэффициент ослабления в полупрозрачных материалах
Измерения коэффициентов отражения экспериментальных образцов светорассеивающих материалов проводились на установке, изображенной на рисунке 3.4.1.1. В этой установке в качестве источника излучения использовался трехцветный гелий-неоновый лазер ЛГ-126 (ЛГН-113). Рабочие длины волн этого лазера 0,63 мкм, 1,15 мкм, 3,39 мкм устанавливаются поочередно при замене задних зеркал резонатора, установленного на турели. Выходная мощность лазера в зависимости от выбранной длиньг волны составляла от 10мВт до 30 мВт. Это излучение ослаблялось светофильтрами для того, чтобы приёмная часть установки работала в линейной области соотношения мощность-сигнал. Излучение отраженное и рассеянное образцом собиралось фокусирующим зеркалом на фотодиоде ФД-7к (ФД-24). Фокусирующее зеркало представляло собой стеклянный сферический сегмент с радиусом 0,4 м и диаметром сечения сферы 0,4 м. На рабочую поверхность зеркала был напылен алюминий. Расстояния между образцом, зеркалом и фотодиодом выбиралось таким образом, чтобы изображение светового пятна на образце было несколько меньше входного зрачка фотодиода. Сигнал фотодиода величи 70 ной до 0,1 Вт принимался цифровым нановольтметром В2-38, позволяющим регистрировать четыре разряда. Соотношение сигнал-шум при работе в затемненном помещении при отсутствии посторонних источников света не превышал 1%.
В качестве образцов сравнения (эталонов) использовались кварцевая керамика, изготовленная из особо чистого синтетического порошка марки ОСЧ-14, и обработанный пескоструйным способом алюминий марки АМц.
В данной работе исследовались образцы гранулированных порошков окиси циркония (0,2-0,1мм), стабилизированные окисью иттрия Zr02+Y20., (изготовитель фирма «SiGMUND L1DNER GmbH», ФРГ). Для изготовления экспериментальных таблеток из этого порошка в качестве связующего элемента использовалось калиевое жидкое стекло высокой чистоты. Полученные значения показателя поглощения связующего жидкого стекла на длинах волн зондирующего излучения более чем на порядок меньше, чем аналогичный показатель для окиси циркония. Поэтому влияние этого связующего в поглощение модельными образцами керамик было несущественным.
Определение показателей рассеяния и поглощения полупрозрачного материала.
Измерение оптических коэффициентов отражения и пропускания в оптическом диапазоне 0,3-0,8 мкм и ближнее средне ИК 0,8 - 4 мкм позволяет определить значение оптических параметров: показатели рассеяния и поглощения для расчета поглощённой энергии.
Измерения на длинах волн зондирующего лазерного излучения с мощностью ЮмВт/10 = 1 мВт, деление на 10 из-за ослабления за счет стекла, были проведены на установке и с процедурами, описанными выше. Результаты измерения отражены в таблицах 7, 8, 9, и 10:
Зависимости коэффициента объемного отражения учитывает, только процессы воздействии коротковолнового излучения внутри объема полупрозрачного материала, и исключает отражение на поверхности.
С увеличением толщиной материала, процесс объемного отражения (г0) увеличивается, так как присутствует больше площадь для взаимовоздействия теплового излучения с частицами материала. Коэффициент пропускания (т) уменьшается с ростом толщиной, так как тепловое излучение ослабляется при прохождении через материал.
Экспериментальное метод определения профиль температуры полупрозрачного материала при воздействии тепловое излучение коротковолнового вида.
Измерение профиль температура полупрозрачного материала проводилось на установке изображенной на рисунке 3.6.1. В качестве источ
Интегральный коэффициент излучения по длинам волн (инте-гральная степень черноты) в направлении нормали
Полупрозрачные теплозащитные покрытия, как правило, состоят из окиси алюминия и окиси циркония, солей магния и других материалов. Эффективность этих покрытий2 оказывается на снижении температуры днища поршня на 30-50 С.
Применение покрытия из окиси алюминия толщиной 0.45 — 0.5мм при полной нагрузке и нормальном тепловом режиме тракторного дизеля снижает температуру днища поршня на 31 С, а испытание с окисью циркония толщиной 0.3мм показали снижение температуры от 25 до 40С.
О возможности уменьшения теплового потока через поршень тракторно го двигателя. Записки ленинградского института. Т 108, вып. 2. 1967. Модельный расчет профиля температуры днища поршня из чугуна при сходных условиях со временем сгорания топлива 0.01 секунд, коэффициентом теплоотдачи 3000 Вт/м2-К, лучистым тепловым потоком 1МВт и коэффициентом черноты материала 0.031, а для газов 0.85 при температуре 1500К, коэффициентом теплоотдачи в масляный туман кар тера 174 Вт/м -К и начальной температурой материала 505К показывает следующий результат:
Профиль температуры днища поршня из чугуна покрытого полупрозрачным теплоизолирующим покрытиехМ на основе окиси циркония с иттрием (PSZ), и без покрытия. Время нагрева материала 0.01 секунд.
Применение полупрозрачных материалов в качестве покрытия с показателями рассеяния о = 51 и поглощения к = 7, снижает температуру днища поршня на 26 градусов в течение времени 0.01 секунд. Поверхностная температура поршня с полупрозрачным теплоизолирующем покрытием остается в пределах 625 К. Результат данного моделирования также показывает, что чрезмерное повышение температуры стенок КС отсутствует; таким образом, предотвращаются нарушения процесса сгорания, повышаются значения КПД, предотвращаются перегрев объема КС и конвективный всплеск теплоотдачи. Значение коэффициент черноты рабочего тела ва для данного моделирования выбран в соответствии с экспериментальными данными замеров мгновенных лучистых тепловых потоков во время сгорания дизельного топлива29.
Математическое моделирование характеристики коэффициента теплоотдачи а при полупрозрачной теплоизоляции.
Для расчета коэффициента теплоотдачи используем формулу Г. Хохенберг , которая базируется на формуле Вошни с учетом скорости рабочего тела. По мнению Хохенберга в быстроходных дизелях с непосредственным вспрыскиванием в районе ВМТ повышается уровень турбулентности заряда, что обусловлено конструкцией камеры в поршне. Формула 4.3.1 учитьшает изменение объема цилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала. а = СЬК/06 -р" -?;-04 .(0» + С2)" (4.3.1)
Постоянные величины С1 и С2 равняются 130 и 1.4 соответственно. Скорость движения поршня равняется 10 м/с, в соответствии с двигателем, работающим при 1200 мин".
Экспериментальные данные давления (р) в цилиндре и температура (То,) рабочего тела в стандартном двигателе и с применением полупрозрачной теплоизоляции на основе окиси алюминия (рисунок 4.2.2) позво Стефановский Б. С. Теплонапряженность деталей быстроходных поршневых двигателей. М., 1978.
Математическое моделирование профиля температуры полупрозрачных материалов на днище поршня ДВС
Для проверки положительного влияния полупрозрачных теплоизолирующих покрытий камеры сгорания, в частности поршня, на индикаторные показатели дизеля, автором было проведено математическое моделирование рабочего процесса дизеля ТМЗ-450Д (14 8/8,5), а затем его моторные испытания.
Математическое моделирование рабочего процесса проводилось в зависимости от поверхностной температуры, рассчитанной при отсутствии и наличии полупрозрачного покрытия с использованием формулы 4.6.1.
При расчете индикаторной диаграммы и определения потерь теплоты Qw использовалась формула Вошни при различных значениях поверхностной температуры стенок КС (с покрытием и без).
Индикаторная диаграмма дизаія ТМЗ-450Д при 3200 об/мин с полупрозрачной теплоизоляции на основе окиси циркония с иттрием. Показатель рассеяния: а = 51. Показатель поглощения: к = 7 (Реальные измеренные оптические свойства материала).
Поверхностная температура камеры сгорания дизеля ТМЗ-450Д при 3200 об/мин с полупрозрачным покрытием превосходит металлическую поверхностную температуру на 80К, это способствует:
интенсификации горения вблизи ВМТ, где достигается максимальное давление и температура цикла,
усилению свечения пламени в начальной фазе горения и сокращению времени процесса сгорания, и, в тоже время, уменьшает потери теплоты от рабочего тела на 16%. В результате средне индикаторное давление возросло на 0,019 МПа. 4.7. Экспериментальное исследование мощностных и экономических показателей дизеля ТМЗ-450Д при полупрозрачной теплоизоляции днища поршня.
В данном опыте были определены исходные характеристики двигателя и произведено сравнение его показателей при использовании поршня с полупрозрачным керамическим покрытием на основе окиси циркония с окисью иттрия (ZrCb + 8% Y2O3) толщиной 0,5мм. Размер между частицами полупрозрачного нанесенного покрытия равнялся 10 мкм, это способствует благоприятным условиям рассеяния коротковолнового теплового излучения от процесса сгорания внутри покрытия.
Основные показатели н параметры дизеля ТМЗ-450Д Показатели и параметры двигателя Единица ш мереиия Значение показателя (параметра) Количество цилиндров и их расположение I, вертикальное Ход поршня / диаметр цилиндра мм 80/85 Рабочіиі oo-i.esі двигателя дм- 0,454 Степень сжатия 20 Номинальная частота вращения вала яи- 3600 Номинальная МОІННОСП. кВп (л е.] 8.(1(11.0) Удельный расход топлива на номинальном режиме г/кВт-ч не более 280 Раздел 1.01 Масса сухая бет навес-ны\ агрегатов кг 55±1
Испытания проводились на одноцилиндровом дизеле воздушного охлаждения ТМЗ-450Д, серийно выпускаемый ОАО «АК Туламашзавод» (рисунок 4.7.2), основные параметры и показатели которого приведены в таблице.
Выбор этого дизеля был обусловлен высокой чувствительностью быстроходных двигателей воздушного охлаждения к качеству применяемых теплоизолирующих материалов.
Испытания проводились на моторном стенде, оснащенном специальным оборудованием и необходимыми приборами. Стенд (рисунок 4.7.2) включал дизель 1, балансирную машину 2, весовое устройство 3, а также пульт управления и необходимые контрольно-измерительные приборы.
Моторный стенд с дизелем ТМЗ-450Д.
Крутящий момент на валу двигателя измерялся весовым устройством 3 (динамометром), входящим в состав тормозной установки, диапазон измерений которого составлял 0-5 кг-м, цена деления - 0,01 кгм .
Для оценки достоверности показания динамометра была выполнена метрологическая проверка весового устройства. Она показала, что вариация показания весового устройства практически отсутствует и нелинейность показаний в интервалах между контрольными точками не превосходит ±0,005 кгм, т.е. практически пренебрежимо мала.
Частота вращения вала двигателя измерялась цифровым электронным тахометром, получающим электрические импульсы от индуктивного датчика, входящего в измерительный комплекс моторного стенда.
