Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблем и путей оптимизаций перспек тивных дизелей 10
1.1. Проблемы и резервы повышения технико-экономических показателей перспективных дизелей 10
1.2. Пути оптимизации процессов теплопередачи з дизелях 20
2. Развитие методов математического моделирования процессов теплопередачи в цилиндро-поршневой группе дизелей 28
2.1. Математическая модель трехмерной нестационарной теплопроводности детали камеры сгорания 26
2.2. Сопряженная математическая модель нестационарной теплопроводности камеры сгорания 44
2.2.1. Сопряженная модель двухмерной нестационарной теплопроводности камеры сгорания 44
2.2.2. Сопряженная модель трехмерной нестационарной теплопроводности камеры сгорания 57
2 3 Учет подвижности поршня при математическом моделировании периодической нестационарной теплопроводности камеры сгорания 74
2.4. Учет гидродинамики масляной пленки при математическом моделировании пе риодической нестационарной теплопро водности камеры сгорания 8?
2.5. Сопряженная математическая модель тепло-массопереноса в системе: рабочее тело -стенка камеры сгорания 102
Совершенствование методов експеріментального исследования процессов теплошрещачи в дизелях 113
3.1 Совершенствование первичных преобразова телей температур для исследования неста ционарных характеристик теплообмена в камере сгорания 115
3.2. Преобразователи температур для регистра ции пульсирующих и стационарных характе ристик теплопроводности деталей 129
3.3. Расчетно-экспериментальный метод определения мгновенных теплопотоков и сил трения в подвижных элементах поршневого комплекта 144
3.4.5 Ра счетно-экспериментальный метод опре
деления коэффициента адиабатности дизе
лей с ограниченным теплоотводом 153
3.5. Расчетно-эксперршентальный метод определения контактных термических сопротив
лений на стыках сопряженных элементов деталей 168
Методы оптимизации процессов теплопередачи и тешюнапряженного состояния камер сгорания перспективных дизелей 1?б
4.1. Постановка задачи оптимизации процесса теплопередачи в перспективных дизелях 177
4.2. Оптимизация теплового состояния деталей КС по эффективным показателям дизеля 186
4.3. Оптимизация профиля температур зеркала цилиндров по потерям теплоты в систему охлаждения 201
4.4. Выбор и обеспечение произвольного профиля температур зеркала цилиндра с критерием оптимальности смешанного типа 209
4.5, Оптимизация теплонапряженного состоя ния деталей НС. на основе критерия оптимальности аддитивного типа 221
5. Оптишзация прощссов тешюперщчи в перспективных дизелях 234
5.1. Принципы выбора радиальных конструктивных параметров тепловой защиты камер сгорания и газовых каналов 235
5.2 Система теплозащиты КС и обеспечение заданного /изотермического/ профиля зеркала цилиндра в крейцкопфном варианте дизеля с ограничен ным теплоотво дом 279
5.3. Основные принципы оптимизации и разработки конструкции гильзы цилиндра, среднеоборотных дизелей 239
5.4. Совершенствование цилиндро-поршневой группы высокофорсированного дизеля 308
6. Заключение
- Проблемы и резервы повышения технико-экономических показателей перспективных дизелей
- Математическая модель трехмерной нестационарной теплопроводности детали камеры сгорания
- Совершенствование первичных преобразова телей температур для исследования неста ционарных характеристик теплообмена в камере сгорания
- Постановка задачи оптимизации процесса теплопередачи в перспективных дизелях
Проблемы и резервы повышения технико-экономических показателей перспективных дизелей
Вопросы повышения топливной и масляной экономичности, безотказности и долговечности двигателей внутреннего сгорания всегда находятся в центре внимания специалистов в области двигателестроения. Каждый из этапов в развитии двигателей имел свои специфические особенности в выборе путей и средств улучшения технико-экономических показателей.
Однако, как показывает опыт /f9) Ol7/)fO2/ifQ//29J70J8O/9 эти работы прежде всего выполненные на основе матемэтического моделирования, базировались на дискретном подходе к исследованиям тепловых и рабочих процессов дизеля. В связи с этим, при анализе эффективности мероприятий, как правило, все внимание сосредотачивалось на конкретных процессах: смесеобразовании, тепловыделении, топливоподаче, газообмене и т.д., уделяя второстепенное значение анализу связей с другими процессами.
Поэтому выявленные при математическом моделировании и весьма существенные резервы улучшения показателей анализируемых процессов далеко не всегда удавалось реализовать в полном объеме на двигателе, многие исследования так и оставались на стадии незавершенных СКР, а вытекающие из них рекомендации и выводы далеко не всегда подтверждались результатами промышлен-ных испытаний.
Очевидность такого положения следует из сопоставления выводов по многим диссертационным работам с данными об их практическом использовании /по выходным показателям двигателя/.
Объясняется это рядом причин, одна из основных - отсутствие учета при анализе действительных связей между сопряженными процессами. Другими словами задачи анализа, основанные на дискретных моделях, не содержат достаточное количество аналитических связей, отражающих реальное взаимодействие с другими процессами, либо эти связи не точны. По сути, исследования осуществляются в условиях, которые нельзя в полном объеме воспроизвести на двигателе. Отсюда такой нивкий уровень практического использования результатов математического моделирования.
Характерна в этом отношении ситуация, возникшая на начальной стадии создания керамического двигателя, где так называемый эффект адиабатности образуется за счет радикального снижения потерь теплоты в систему охлаждения. Вначале, как показали результаты математического моделирования рабочего процесса создаваемого двигателя /b]38t39,186,188,190,193,200,201,202,201/ » ограничение тешюотвода содержит весомый реверв повышения топливной экономичности.
Уже после первых испытаний на двигателе стало очевидно, что реализовать ожидаемый эффект лишь теплозащитой камеры сгорания невозможно. Неожиданность такого исхода является следст-ви& і традиционного подхода к решению комплексной проблемы. Такой подход основан на использовании дискретных математических моделей. Высвободившаяся часть теплоты от перераспределения тепловых потоков в систему охлаждения имеет лишь потенциальную возможность быть преобразованной в работу. Следует обеспечить условия такого преобразования, которые определяются связями с другими /сопряженными/ процессами. Перераспределение теплопото-ков резко изменяет ситуацию в рабочем объеме и вызывает рассогласование связей, достигнутых в прототипе доводкой рабочего процесса, топливной аппаратуры, смесеобразования и сгорания, систем впуска и выпуска рабочего тела, газотурбинного наддува и т.д. Поэтому прежде чем реализовать полный адиабатический эффект, необходимо вернуть действительные связи между процессами на прежний качественный уровень. Отсюда, создание адиабатного или другого нетрадиционного типа двигателя - это не просто доводка отдельных процессов, а совместная их доводка с учетом всей совокупности действующих взаимосвязей. Иначе возникают тупиковые ситуации, а процесс доводки сопровождается потерями времени, средств и темпа в техническом прогрессе,
В целом же отмеченный недостаток следует отнести к общей теории д.в.с, что обусловлено отсутствием общей модели цикла, т.е. модели, представляющей не только математическое описание всех процессов двигателя, но и действительных связей между ними. Особенно остро это проявляется в случае реализации новых нетрадиционных конструктивных решений, процессов, систем, схем и т.д. /например, создания адиабатного дизеля/, т.е. СЖР, определяющих научно-технический прогресс в двигателестроении /57,35/02 /87/39 191,19$,207/ Отсюда очевидна объективная необходимость разработки общей модели цикла, благодаря которой процессы доводки и совершенствования двигателей могут быть подняты на новый качественный уровень. Созданию и реализации такой модели способствуют также резко возросшие возможности современных Шй с точки зрения быстродействия и объема памяти.
Математическая модель трехмерной нестационарной теплопроводности детали камеры сгорания
В практике двигателе с трое ни я при моделировании температурных полей деталей камеры сгорания наибольшее распространение получили расчетные схемы задач теплопроводности в двухмерной осе-симметричной постановке. В полной мере это относится как к строгим аналитическим методам /25)30,37,37,/33,/6/, 167, И& А так и численным /45 50 -90,189/. Применение аналитических методов в двигателях, как правило, сопровождается упрощением геометрии расчетной области и условий теплообмена на границах /USI1&I45 /В,/74 /» чм достигается возможность их использования. Такой подход обеспечивает удовлетворительные результаты расчетов лишь для деталей сравнительно простой формы. К ним обычно относятся поршень и гильза (втулка) цилиндра при незначительной асимметрии температурных полей в меридиальном направлении. Что касается крышки (головки) цилиндра, да и других деталей камеры сгорания в более сложном исполнении, то двухмерная осесимметричная постановка задачи вообще не приемлема. Кроме того, с повышением степени форсирования двигателей асимметрия температурных полей деталей резко возрастает /33,59,125,166/.
Некоторые весьма ограниченные возможности моделирования деталей камеры сгорания в пространственном изображении предоставляют решения, полученные с помощью теории тонких пластин и оболочек. По сути решения та же постановка двухмерная, дополненная аппроксимацией температуры по толщине (третье измерение) оболочки. Известные модели / 89 , 167 / получены для частного случая стационарной теплопроводности. Несколько расширяет возможности общий случай решения задачи для нестационарной теплопроводности / (56/і не исключая основных недостатков. Это плоская постановка расчетного элемента детали (например, днище крышки или поршня) без учета локальности граничных условий по толщине теплопередаю-щей стенки.
Таким образом необходимость разработки математической модели трехмерной нестационарной теплопроводности, в которой отсутствуют отмеченные недостатки, вполне очевидна.
Наибольшими возможностями в этой связи располагает метод конечных разностей. Он позволяет получить решение задачи трехмерной нестационарной теплопроводности детали камеры сгорания произвольной геометрии при пространственно-временном изменении граничных условий. Такого типа модели получены автором и отработаны для широкого класса практических задач теплообмена в двигателях / Ш, W, 49 /.
В основе модели используется трехмерное уравнение нестационарной теплопроводности, которое в цилиндрических координатах согласно рис.2.1 имеет вид
Наиболее характерные граничные условия 3-го рода для деталей камеры сгорания имеют вид: Здесь ҐІ - направление нормали к поверхности теплообмена; oL - коэффициент теплоотдачи; J\ - коэффициент теплопроводности материала детали; tj. - температура среды, участвующей в теплообмене. Наконец, временные условия при произвольном распределении температур детали в начальной точке отсчета ( t =0) будут ( ,2,У,0)= to (1,1,9). (2.3)
Применяя аддитивную схему аппроксимации дифференциальных уравнений (2.1,2.2), получим соответствующие операторы по направлениям , Ї и У . Обозначим промежуточные температуры через 2 , а по направлениям , Z и У присвоим индексы 1,2 и 3, соответственно.
Аналогично по направлению 3: (2.8) На последнем шаге пр последовательном переходе от направления I к направлению 3 1 - І Другими словами, значение Щу является решением задачи на "К"-ом временном интервале. Получим выражения для аппроксимации операторов (4-9). Выделим в расчетной области по одному из направлений 1,2 или 3 узловую точку Ч " и точки Z// , і -/ в ее окрестности. Пусть в соответствии с рис.2.2 расстояния между узловыми точками равны Л/ и /гг{ ІЬ{Ф / ). Для аппроксимации сеточных функций в точках L + 1 и L-4 воспользуемся разложением в ряд Тейлора. Ограничиваясь производными второго порядка, получим:
Совершенствование первичных преобразова телей температур для исследования неста ционарных характеристик теплообмена в камере сгорания
Наиболее достоверной информацией, воспроизводящей результат теплообмена рабочего тела со стенками КС, в настоящее время являются характеристики теплопроводности деталей. Эти характеристики, например, в объеме стационарных и нестационарных полей температур позволяют на основе обратных методов теплопроводности или гармонического анализа колебаний температур не только восстановить условия теплообмена на границах деталей со стороны рабочего тела, но и самостоятельно решать практические задачи двигателестроения, в том числе задачи по обеспечению длительной прочности деталей КС, прежде всего термоусталостной, согласованию теплового состояния деталей с рабочим процессом и трением в цилиндро-поршневой группе.
Регистрация нестациоанрных характеристик теплопроводности деталей КС, особенно на тепловоспринимающих поверхностях заметно сложнее, чем стационарных. С одной стороны, непосредственное воздействие рабочего тела на чувствительные элементы преобразователей температур, отрицательно сказывающееся на их долговечности, с другой, - возникают технические трудности, связанные с установкой и уплотнением преобразователей, организацией токосъема и др. Все сказанное еще в большей степени проявляется в условиях КС адиабатного дизеля, которые характеризуются резким повышением температур стенок, амплитуд и скоростей их изменения. Дополнительно возникают технологические проблемы при дообработке керамических деталей КС под установку преобразователей температур.
Широкое распространение в ДВС при измерениях мгновенных температур на огневых поверхностях деталей КС получила пленочная же лезо-никелевая термопара /Sf, 8 7, {05 /. Термопара содержит изолированные друг от друга никелевый электрод и аалезный (стальной) корпус. На торце корпуса, который вводится в камеру сгорания, термоэлектроды замкнуты чувствительной пленкой никеля, образуя поверхностную термопару.
Используемое конструктивное решение имеет по крайней мере два принципиальных недостатка. Во-первых, низкая чувствительность термопары, что требует применения специальных усилителей типа усилителей биопотенциалов. Последнее непременно сопряжено с ростом шумов и наводок, а значит погрешностями измерений. Во-вторых, невозможно согласовать теплофизические свойства подложки чувствительной пленки с аналогичными свойствами материалов деталей, поскольку несовместимы принципы их выбора. Например, для деталей КС, выполненных из алюминиевых сплавов, это отличие составляет 6 и более раз, что исключает возможность их применения.
Известная конструкция пленочной термопары / щ /% в которой "горячий" спай расположен на исследуемой поверхности. Однако метод получения пленочных термопар ограничивает их использование лишь отдельными экземплярами. Практически исключена возможность установки такой термопары в поршне и гильзе, блочной головке и т.д. Общая толщина "горячего" спая термопары о 5 мкм, что отрицательно сказывается на постоянной времени.
В сравнении с пленочными термопарами пленочные термопары сопротивления / Об, 16} I имеют чувствительность на 2 3 порядка выше. Это существенно упрощает схему измерений, снижает воздействие на сигнал шумов и наводок. Кроме того, в ПТС примерно на порядок меньше толщина чувствительной пленки.
Главным недостатком известных пленочных термометров сопротивления является наличие под чувствительной пленкой стеклянной под ложки. Теплофизические свойства стекла резко отличаются от этих же свойств материалов деталей КС. Это изменяет условия подвода и отвода теплоты в пленке, а зарегистрированные температурные колебания на стекле не соответствуют аналогичным характеристикам деталей КС.
Чтобы устранить недостатки известных ПТС были разработаны несколько конструктивных вариантов пленочных термометров сопротивления на металлической подложке. Один из таких вариантов, реализованных на кафедре ДВС ХПЙ им.В.И.Ленина, представлен., на рис. 3. { . ПТС состоит из корпуса I, сердечника 2 и вваренных (тугоплавким стеклом или изолятором) металлических электродов 3, которые изолираваны от коопуса керамической или алундовой соломкой 4. На торец сердечника 2 нанесен изоляционный слой 5. Электроды 3 последовательно соединены чувствительной пленкой 6, образуя пленочный термометр сопротивления на металлической подложке.
В качестве материала корпуса I может использоваться молибден, никель, ковар марки H29KI8-A, сталь и др. сплавы, хорошо спаивающиеся с тугоплавкими стеклами C37-I (№ 40) C49-I ( ЗС- MCL ), C39-I ( № 17) или изолятором. Сердечние 2, как правило, изготавливается из материала исследуемой детали и может быть как неразъемным, так и сопряженным с корпусом по плотной посадке. При регистрации температурных колебаний на деталях из алюминиевых сплавов корпус и неразъемный сердечник выполнялись из того же материала, а заполнителем, фиксирующим электроды в корпусе, являлся высокотемпературный цемент ВН-76. Для электродов 3 использовалась проволока платины, никеля или молибдена диаметром 0,2 0,5 мм. Изоляционный слой 5 толщиной 0,1 0,15 мкм был получен методом вакуумного напыления SiOz или окислением напыленного тем же методом щкеля
Постановка задачи оптимизации процесса теплопередачи в перспективных дизелях
При дискретном моделировании тепловых процессов двигателя основное внимание уделяется анализируемому процессу. Сопряженнные с ним процессы учитываются весьма приближенно, граничные условия, как правило, статические. Как показывает анализ, например, теплового состояния деталей КС, / /30-/44, 145 / не только распределение температур в деталях, но и уровенв" этих температур не опти мальный, а чаще просто случайный. В такой же степени не согласовано тепловое состояние с сопряженными процессами двигателя. Таким образом, имеются резервы (что подтверждается опытом// /) за счет регулирования теплового состояния деталей КС не только повысить их надежность в работе, но и воздействуя на сопряженные с ним рабочие процессы улучшить топливную экономичность двигателя. К этим процессам прежде всего относятся трение и смазка в цилиндро-поршневой группе, теплообмен на границах деталей (обуславливает как температурное состояние деталей, так и потери теплоты в систему охлаждения), смесеобразование и сгорание, топли-воподача и рабочий процесс.
Корректная постановка задачи оптимизации предполагает математическое описание исследуемого процесса, выбор критерия оптимальности и ограничений, накладываемых на варьируемые параметры (факторы).
Математическое описание теплового состояния деталей КС, представляющее собой краевую задачу, основано на дифференциальных уравнениях нестационарной теплопроводности внутри элементов камеры (включая неподвижные соединения) и тепломассопереноса в подвижных ее сопряжениях. На границах расчетной области этим уравнениям ставится в соответствие определенные граничные условия.
В главе 2 предложены соответствующие сопряженные математические модели процесса, учитывающие специфику тепловых нагруже-ний деталей КС в эксплуатации и тепловое взаимодействие этих деталей на стыках и подвижных сопряжениях.
В зависимости от постановки тепловой задачи исходными являются уравнения (2.1 2.27), (2.28 2.37) (2.38 2.50) или последующие ( 2.51 2.53) и (2.5 2,96), учитывающие относительную подвижность пары поршень (поршневые кольца) - гильза цилиндра и гидродинамику масляной пленки между ними. Они позволяют для заданных режимных, конструктивных, регулировочных и др. параметров дизеля найти распределение температур в деталях КС, т.е. представляют соответствующую задачу анализа.
Одной из главных характеристик задач анализа является тип связей показателей оптимизируемого процесса с варьируемыми параметрами. Тип связей относит исходную задачу к соответствующему классу оптимизационных задач, решаемых методами непрерывной или дискретной оптимизации, т.е. определяет метод решения.
Тепловое состояние деталей КС характеризуется полем температур, которое в общем случае нестационарно. Решение дифференциальных уравнений теплопереноса в этих деталях и на их стыках методом конечных разностей обеспечивает конечные выражения для температур в окрестности узловых точек. Получить аналитическое выражение для всей совокупности точек поля температур в явном виде не представляется возможным. Поэтому алгоритм оптимизации теплового состояния деталей КС должен предусматривать анализ распределения температур во всех узловых точках.
Критерий оптимальности выбирается путем всестороннего анализа конструкции, технических, экономических, экологических и других требований, предъявляемых к ДВС. Сразу необходимо отметить, что такую сложную систему, какой является дизель, нельзя охарактеризовать одним числом - одним критерием. Отсюда отсутствие универсального критерия оптимальности при проектировании двигателей, а процесс доводки - это целач цепочка оптимизационных задач. Естественно стремление исследователей в качестве критерия оптимальности выбирать комплексные показатели качества.
