Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и общие задачи исследования
1.1. Краткий обзор и анализ работ по исследованию теплового состояния свечей зажигания 7
1.2. О теплообмене в цилиндре двигателя 12
1.3. В ыв о ды 20
1.4. Цель и задачи исследования 20
2. Теоретическое исследование температурного поля свечи зажигания
2.1. Математическая модель процесса теплопередачи в свече зажигания 22
2.2. Условия теплообмена в цилиндре двигателя 34
2.2.1. Скоростное поле газа на поверхности камеры сгорания 34
2.2.2. Распределение коэффициента теплоотдачи на поверхности камеры сгорания 43
2.2.3. Влияние рабочего процесса на коэффициент теплоотдачи 57
2.2.4. Алгоритм расчета коэффициента теплоотдачи
на поверхности камеры сгорания 72
2.3. Численный пример расчета коэффициента теплоотдачи на поверхности камеры сгорания 77
2.4. Основные результаты теоретического исследования 82
3. Расчетное и эксперимжтальное исследование теплового состояния свечи зажигания
3.1. Термометрирование свечи зажигания 83
3.1.1. Объект испытаний и экспериментальная установка 83
3.1.2. Программа и методика испытаний 90
3.1.3. Аппаратура и методика измерений 90
3.1.4. Погрешности измерений и расчетов 94
3.2. Использование метода конечных элементов при исследовании температурных полей свечей зажигания 101
3.3. Теплообмен в свечах зажигания 109
3.3.1. Определение коэффициентов теплоотдачи на боковой поверхности и нижнем основании теплового конуса свечи зажигания... 109
3.3.2. Условия теплообмена на верхнем основании теплового конуса и поверхности канала центрального электрода 112
3.4. Расчет калильного числа свечи зажигания... 116
3.5. Основные результаты расчетно-эксперимен-тального исследования 120
4. Методика подбора свечи зажиганий к двигателю 122
4.1. Исходные данные для подбора свечи к двигателю 123
4.2. Номограмма для подбора свечи к двигателю 124
4.3. Примеры подбора свечи к двигателю 127
4.4. Методика расчета свечи зажигания 128
4.5. Расчет экономической эффективности от внедрения результатов работы 132
4.6. Выводы 136
Заключение 137
Литература
- Краткий обзор и анализ работ по исследованию теплового состояния свечей зажигания
- Математическая модель процесса теплопередачи в свече зажигания
- Термометрирование свечи зажигания
- Исходные данные для подбора свечи к двигателю
Введение к работе
В решениях ШТ съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на I981-1985 годы и на период до 1990 года указывается на необходимость дальнейшего укрепления материально-технической базы автомобильного транспорта, совершенствования структуры парка автомобилей, повышения удельного веса машин большей грузоподъемности, специализированных и малотоннажных автомобилей [і, 2, 3] .
Для решения вышеуказанных задач необходимо оснастить транспорт мощными, высокоэкономичными, надежными и долговечными двигателями внутреннего сгорания.
В настоящее время на автомобильном транспорте наиболее распространен карбюраторный двигатель с искровым зажиганием [&?] . И несмотря на то, что в перспективе намечается значительное увеличение производства дизелей [і, 2, 3J , все же более половины выпускаемых автомобильной промышленностью транспортных средств будут снабжены карбюраторными двигателями [67] . Соотношение между производством карбюраторных двигателей и дизелей во многом предопределяется соотношением выхода бензина и дизельного топлива из нефти. Выход дизельного топлива из нефти при существующей технологии переработки составляет 20-25$, а бензина - 35-55$ [бб] . Отсюда следует, что соотношение между производством дизелей и карбюраторных двигателей по мощности должно составлять I : (1,5 2,5) [22].
На надежность и экономичность работы карбюраторного двигателя наряду с другими факторами существенное влияние оказывает работа запальных свечей зажигания. Известно, что несоответствие свечей двигателю приводит к снижению топливной экономичности, увеличению токсичности отработавших газов, а также влечет за собой преждевременный ремонт двигателя [6, 28, 70] .
При нормальной работе свечи температура теплового конуса изолятора должна находиться в сравнительно узком диапазоне температур. Этот диапазон ограничен, с одной стороны, температурой самоочищения свечи, равной 720-770 К, а с другой - температурой, вызывающей калильное зажигание (1170-1220 К) [54, 65] .
При температуре теплового конуса ниже 770 К происходит постепенное шунтирование искрового промежутка токопроводя-щим слоем нагара, и свеча перестает выполнять свои функции. Если же температура теплового конуса свечи выше 1220 К, то возникает калильное зажигание - самовоспламенение рабочей смеси за счет соприкосновения ее с перегретыми частями свечи. При калильном зажигании резко повышаются механические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма, наблюдаются падение мощности двигателя и перерасход топлива. Кроме того, повышенная тепловая напряженность свечи при калильном зажигании уменьшает ее долговечность: наблюдается оплавление электродов и растрескивание теплового конуса изолятора [65, 87].
Современное двигателестроение следует по пути дальнейшего форсирования двигателей внутреннего сгорания, что приводит к увеличению теплонапряженности как самого двигателя, так и его свечей зажигания. Иначе говоря, требования, предъявляемые к свече зажигания со стороны рабочего процесса, ужесточают - 6 ся. В связи с этим возникает необходимость более точного подбора свечи к двигателю, что, в свою очередь, требует исследования температурных полей свечей зажигания.
Настоящая работа посвящена вопросу дальнейшего совершенствования расчета свечи зажигания и разработке методики подбора ее к двигателю. Особенностью работы является то, что расчет тепловой характеристики свечи ведется на основе решения дифференциального уравнения теплопроводности.
Научная новизна работы заключается в том, что при оценке теплового состояния коэффициент теплоотдачи от газов к свече зажигания определяется на базе современных представлений о теплообмене в цилиндре двигателя и основных положений теории пограничного слоя, а также в том, что впервые предложена методика аналитического подбора свечи к двигателю.
Предлагаемая методика позволяет подбирать свечи зажигания как для существующих конструкций двигателей, так и для двигателей, находящихся в стадии разработки.
Краткий обзор и анализ работ по исследованию теплового состояния свечей зажигания
Работоспособность двигателя во многом зависит от того, насколько тепловые свойства свечи зажигания соответствуют термической напряженности рабочего цикла двигателя.
Под тепловыми свойствами свечи зажигания понимают способность свечи воспринимать теплоту от газов в камере сгорания двигателя и передавать ее в головку цилиндра и окружающую среду [54] . При этом температура теплового конуса должна находиться в пределах 720 -І- 1220 К. Тепловые свойства свечи оцениваются тепловой характеристикой, в которую входят нижний и верхний пределы теплового диапазона работоспособности свечи.
Под нижним пределом понимают численное значение тепловой характеристики, оценивающее способность свечи противостоять вагарообразованию и шунтированию искрового промежутка в условиях малых нагрузок и холостого хода.
Верхний предел отражает способность свечи не вызывать самовоспламенения рабочей смеси на режимах максимальных нагрузок и является наиболее ответственным. По нему принято давать оценку тепловых свойств свечи, которую выражают в виде так называемого калильного числа.
Еще в двадцатых годах был разработан метод определения калильного чгола при постоянной тепловой нагрузке [81, 84, 85]. Сущность данного метода заключается в том, что при определенном стандартном режиме работы двигателя испытательной уста - 8 новки к испытуемой свече подводится постоянный тепловой поток, достаточный для доведения ее до калильного зажигания. В этих условиях температура свечи начинает непрерывно повышаться, достигая величины, вызывающей появление самопроизвольного воспламенения. Время, прошедшее с момента приложения тепловой нагрузки до появления калильного зажигания принимается в качестве оценки тепловых свойств свечи. Это дало возможность сравнивать свечи зажигания различных конструкций.
К недостаткам этого способа следует отнести то, что выбор времени в качестве оценки тепловых свойств СЕЄЧИ является весьма условным и никак не связан с реальными параметрами, определящими напряженность рабочего процесса двигателя.
В настоящее время нашел широкое применение метод определения калильного числа свечи по принципу переменных тепловых нагрузок f63, 84 J . Сущность этого метода состоит в постепенном, ступенчатом повышении тепловой нагрузки на двигатель и испытуемую свечу со стабилизацией на каждой ступени нагрузки их температурного состояния и сводится, в конечном итоге, к определению минимального значения нагрузки, вызывающей появление преждевременного воспламенения. Оценка тепловых свойств свечи производится по среднему индикаторному давлению в цилиндре двигателя тарировочной установки на пороге калильного зажигания. За калильное число свечи принимается отвлеченная величина, пропорциональная этому давлению (ГОСТ 2043-74) [63].
Современное двигателестроение предъявляет высокие требования к стабильности тепловой характеристики свечи. Этому вопро - 9 су посвящены работы В.Н.Румянцева, Г.Н.Скрябина%E,F6(t6rrQth і Е11ц11вГ[&1 83, 86 ] , в которых оценивалось влияние отклонений некоторых конструктивных параметров свечи на ее тепловую характеристику. Эти исследования не имеют под собой аналитической основы и являются чисто экспериментальными, что ограничивает использование полученных результатов.
Основным итогом исследований [б, 6, 61, 70, 80] является создание теплового ряда, включающего в себя семь типов свечей зажигания с калильными числами 8, II, 14, 17, 20, 23, 26 . Подбор свечей зажигания для вновь созданного двигателя осуществляется из данного теплового ряда по общепринятой методике [63]. Подбор осуществляют в два этапа. По результатам первого этапа испытании выявляются свечи, не вызывающие калильного зажигания при работе на режиме максимальной мощности двигателя. Эти типы свечей подвергаются затем второму этапу испытаний, который включает в себя работу двигателя на режиме холостого хода в течение двух часов. Свечи, выдержавшие проверку по обоим этапам, подвергаются испытаниям на автомобиле в дорожных условиях. Испытания подобного рода длятся, как правило, не менее года и ведутся не менее чем на пяти двигателях [63] . Эта методика подбора свечей зажигания требует значительных затрат времени и средств.
Для более быстрого подбора свечи к двигателю Усанов А.Д. [70] предложил проводить его по условному критерию тепловой напряженности двигателя, за который принимается средняя температура газов в зоне свечи зажигания.
Математическая модель процесса теплопередачи в свече зажигания
Теплообмен в свече зажигания может быть представлен следующим образом (рис. 2.1). Тепловой поток воспринимается нижней частью изолятора. Большая часть этого потока (примерно 95$) отводится через тешюотводящую шайбу и корпус свечи в головку блока цилиндров [ 85 ] . Оставшееся тепло рассеивается через верхнюю часть изолятора в окружающую среду. Поскольку температура нижней части изолятора теплового конуса оказывает существенное влияние на протекание рабочего процесса двигателя [28, 54, 65, 87] , то имеет смысл рассматривать температурное состояние именно этого элемента свечи, не вдаваясь в подробности распространения тепла в остальных ее деталях.
В первом приближении можно предположить, что на установившемся режиме двигателя температурное поле теплового конуса свечи является осесимметричным и стационарным, а теплофизичес-кие свойства материала изолятора изотропны и не зависят от температуры.
В этом случае температурное поле теплового конуса свечи может быть описано уравнением Лапласа [17, 37, 48] , которое в цилиндрических координатах г , / имеет следующий вид: - 23 Граничное условие на боковой поверхности конуса запишется следующим образом: л v или ?г Л[ ШІ2 - Л- ЧІ п=0 где Л - коэффициент теплопроводности материала изолятора; ОС- - коэффициент теплоотдачи от газов к свече зажига-с ния; YI - нормаль к боковой поверхности теплового конуса; S и Т - температуры газов и боковой поверхности теплового конуса соответственно; if - центральный угол теплового конуса. Для современных свечей зажигания - = 2 6, т.е. C0s№)= 0,999 0,995«I ; W-M = 0,0В5 0,104 « 0 .
Следовательно, конусностью нижней части изолятора можно пренебречь.
Исходя из вышеизложенного, расчетную модель теплового конуса можно представить в виде полого цилиндра, диаметр внутреннего отверстия которого равен диаметру канала под центральный электрод. Длина его равна длине теплового конуса, а внешний диаметр - диаметру верхнего основания последнего (рис. 2.2).
Алгоритм расчета температурного поля теплового конуса свечи представлен в приложении (табл. П.І).
В результате расчета получены значения безразмерных потенциалов во внутренних узлах конечно-разностной схемы. Значения потенциалов на границах определяются с помощью граничных условий (2.8), (2.9), (2.10), (2.II).
Переход от безразмерных потенциалов к температурам производится по формуле: В качестве примера на рис. 2.5 представлены результаты расчета температурного поля теплового конуса свечи АНН.
Для определения коэффициента теплоотдачи от газов к свече воспользуемся приближенной моделью конвективного теплообмена в цилиндре двигателя, предложенной М.Р.Петриченко, который описал скоростное поле газа, находящегося внутри цилиндра двигателя в процессах сжатия, сгорания и расширения, следующим дифференциальным уравнением Решение этого уравнения дает скоростное поле газов, относящееся к данному моменту времени. Придавая координатам TyZ значения, соответствующие точкам поверхности камеры сгорания, получим распределение скорости газа вдоль внешней границы пограничного слоя.
Дня решения задачи о движении газа и теплообмене между газом и стенкой в дополнение к системе уравнений, описывающих перенос количества движения и тепла, необходимо задать граничные условия: а) - касательная и нормальная составляющие скорости равны нулю вследствие прилипания частиц газа к стенке (рис.2.8), т.е.
Термометрирование свечи зажигания
Проверка степени достоверности разработанной методики расчета температурного состояния теплового конуса свечи зажигания проводилась путем сравнения расчетного температурного поля свечи зажигания со значениями температур в определенных точках свечи зажигания, полученных в результате термометриро-вания свечи зажигания. Для этого на кафедре "Автомобили и двигатели" Саратовского политехнического института была создана экспериментальная установка, позволяющая индицировать двигатель и замерять основные показатели при работе его на различных режимах.
Объектом испытаний являлась экспериментальная свеча с встроенными в изолятор термопарами.
Корпус экспериментальной свечи выполнен разборным. Уплотнение изолятора в корпусе достигалось за счет применения двух медных уплотняющих колец (рис. 3.1), нижнее из которых выполняло роль теплоотводящей шайбы.
В качестве изолятора экспериментальной свечи был взят изолятор свечи АІІБС, в котором были прорезаны канавки под термопары. Спаи хромель-алюмелевых тормопар (диаметр проволоки ОД мм) расположены на тепловом конусе изолятора по винтовой линии (рис. 3.2). Термопары в изоляторе закреплялись с помощью термоцемента, разведенного на жидком стекле. Наружные концы термопар располагались в фарфоровых двухканальных соломках (4), закрепленных в обойме (6). Обойма насажена на контактную головку изолятора и крепится с помощью круглой гайки (5). Сверху в гайку ввернут стержень (10), на котором находится корпус штыревого разъема (7) со штырями (8). К данным штырям припаяны концы термопар. Для увеличения расстояния между разъемом и наконечником провода высокого напряжения используется эбонитовый удлиннитель (9). Общий вид свечи зажигания представлен на рис. 3.3.
Эксперимент проводился на установке с двигателем МЗМА-408 (заводской Л 395392). Датчик электропневматического индикатора и экспериментальная свеча устанавливались на четвертом цилиндре. Установка оборудовалась системой батарейного зажигания, имеющей ручную регулировку угла опережения зажигания.
Поддержание температурного режима работы двигателя производилось по способу водо-водяного теплообменника, с регулированием уровня воды и ее расхода во внешнем контуре охлаждения. Охлаждение масла производилось по способу масло-водяного теплообменника.
Нагрузка на двигатель создавалась при помощи балансирной машины постоянного тока типа МПБ 28/26 (заводской $ 7650), подключенной к проволочным сопротивлениям, имеющим 8 ступеней включения. Плавная регулировка осуществлялась путем изменения силы тока в обмотке возбуждения электрической машины. Воздух поступал в двигатель через газовый счетчик типа РС-ЮО и ресивер объемом 0,2 м3.
В систему питания был включен прибор, позволяющий измерять расход топлива массовым способом. С целью обеспечения возможности варьирования составом смеси при испытаниях серийный карбюратор K-I26 П был несколько видоизменен: главный жиклер основной камеры карбюратора был оборудован регулировочной иглой, позволяющей изменять его проходное сечение; поплавковая камера была разбалансирована и соединена с атмосферой через регулируемое отверстие и с задроссельным пространством через воздушный жиклер. Это позволяет плавно изменять часовой расход топлива. Запуск двигателя осуществляется стартером.
Программой испытаний предусматривалось снятие основных характеристик двигателя: скоростной, нагрузочной и характеристики по составу смеси, при одновременном термометрировании экспериментальной свечи зажигания и индицировании цилиндра двигателя электропневматическим индикатором типа МАИ-2А.
Снятие характеристик производилось в соответствии с требованиями ГОСТ 14846-69 [18] . При этом предусматривалось выполнение дополнительных условий. Так, при снятии скоростной характеристики поддерживался неизменным состав смеси; характеристика по нагрузке снималась при неизменном составе смеси.
Выполнение этих условий может быть достигнуто регулированием состава смеси для каждой опытной точки при помощи регулировочной иглы карбюратора и изменением положения дроссельной заслонки для поддержания постоянства степени заполнения рабочего объема цилиндра свежим зарядом на определенном уровне. Такой подход, при необходимости, должен позволить отыскать экспериментально степень влияния на тепловое состояние свечи зажигания одного из следующих показателей: скоростного режима, нагрузочного режима и состава смеси.
Исходные данные для подбора свечи к двигателю
В настоящее время для каждой модели вновь созданного двигателя свечи зажигания подбирают экспериментальным путем в соответствии с ГОСТом 2043-74 [63] . Сущность подбора заключается в том, что на двигателе испытывается ряд свечей зажигания с различными тепловыми свойствами. 0 соответствии свечи двигателю судят по результатам визуального осмотра. Правильно подобранная свеча не должна иметь оплавления электродов или растрескивания теплового конуса изолятора после работы двигателя на режиме максимальной мощности и не должна шунтироваться токопроводящим слоем нагара при работе двигателя на режиме холостого хода.
В работе [бб] предложено использовать для подбора свечи к двигателю специальные свечи - термопары. Применение данных свечей-термопар позволяет более объективно судить о соответствии свечи двигателю и ускоряет процесс подбора, поскольку отпадает необходимость останавливать двигатель после каждого этапа испытаний и снимать свечи для визуального их осмотра.
Рассмотренные методы подбора свечей к двигателю достаточно трудоемки и требуют значительных затрат времени и средств.
При современных масштабах производства двигателей очень важным является сокращение сложных и дорогостоящих экспериментальных работ. Главное внимание, при этом, должно быть направлено на расчетно-теоретические исследования с использованием вычислительной техники.
Основным критерием, оценивающим соответствие свечи двигателю является температура наиболее нагретой точки теплового конуса. Поэтому исходными данными для подбора свечи к двигателю ДОЛЖЕШ быть параметры рабочего процесса, влияющие на эту температуру! коэффициент теплоотдачи от газов к свече и средняя эквивалентная температура газов в цилиндре двигателя.
Для определения вышеназванных параметров необходимы: 1. Параметры двигателя: - степень сжатия; Л - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; Vjfj - рабочий объем цилиндра; Дц - радиус цилиндра; /ЗА - радиус кривошипа; дЯ - максимальная глубина камеры сгорания; f(p) - функция формы камеры сгорания; рс - координата места расположения свечи зажигания. 2. Показатели работы двигателя на режиме максимальной мощности: СО - частота вращения коленчатого вала; Мц - число кг-молей свежего заряда; { У - коэффициент наполнения; S - угол опережения зажигания; m,ipz - коэффициенты формулы Вибе; р- - массив давлений в цилиндре двигателя, полученный с экспериментальной или расчетной индикаторной диаграммы; 3. Показатели окружающей среды: Пд - давление окружающей среды; Тд - температура окружающей среды. 4. Дополнительные параметры: 7 - средняя температура стенки камеры сгорания; 9g - девять нулей їункцш Бесселя ЭД . Расчет мгновенных коэффициентов теплоотдачи в месте расположения свечи и текущих значений температур газов в цилиндре ведется по алгоритму, изложенному в П 2.3.4 настоящей работы.
Средние значения коэффициента теплоотдачи от газов к свече и температуры газов определяются по формулам (3.21) и (3.22). U - безразмерная функция, зависящая от среднего коэффициента теплоотдачи от газов к свече зажигания 01 г распределения условного коэффициента теплоотдачи на верхнем основании теплового конуса Оіі(Г) » распределения условного коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности тепло вого конуса (Хг(I) , коэффициента теплопроводности материала изолятора Л , внутреннего /}0 и наружного радиусов и длины f)tL теплового конуса.
Из (4.1) видно, что функция Ц зависит от коэффициента теплоотдачи СХГ и от конструктивных параметров свечи зажигания, поэтому для конкретной свечи данная функция будет зависить только от коэффициента теплоотдачи ОСг .
По алгоритму (см. приложение, табл. П.І) был произведен расчет зависимости функции (J от коэффициента теплоотдачи &г для свечей с различными калильными числами. Результаты расчета помещены в правой части номограммы, представленной на рис. 4.1.
Рядом исследований [б5, 83, 85, 87J установлено, что предельная, не вызывающая калильного зажигания температура вершины теплового конуса свечи, равна 1123 К.
