Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Роль и значение моделирования процессов теплообмена при проектировании и доводке современных поршневых двигателей 11
1.2. Методы расчётов и результаты экспериментальных исследований масляного охлаждения поршней 14
1.2.1. Циркуляционное масляное охлаждение поршней 15
1.2.2. Инерционное масляное охлаждение поршней 23
1.2.3. Струйное масляное охлаждение поршней 30
1.3. Выводы к главе 1. Постановка цели и задач исследования 43
2. Математическое моделирование процессов масляного охлаждения поршней ДВС 45
2.1 Теплообмен при взаимодействии струи с преградой 45
2.1.1 Взаимодействие струи с преградой по нормали 45
2.1.2 Взаимодействие наклонной струи с преградой 50
2.2 Разработка методики и алгоритма программы расчёта интенсивности теплообмена при струйном охлаждении 53
2.2.1 Основные допущения, принятые при разработке методики расчёта 53
2.2.2 Основные уравнения движения масла вдоль внутренней поверхности поршня 54
2.2.3 Уравнения теплообмена на участке охлаждаемой поверхности поршня 62
2.2.4. Алгоритм расчёта на ЭВМ 63
Экспериментальное исследование масляного охлаждения 65
3.1. Экспериментальная установка моделирования теплообмена от поршня в охлаждающее масло 65
3.1.1. Схема экспериментальной установки 66
3.1.2. Измерение температуры исследуемой детали 68
3.1.2.1 Измерение температуры деталей двигателя в условиях возвратно поступательного движения 68
3.1.2.2 Исследование распределения температуры исследуемого элемента 83
3.1.3. Исследование параметров охлаждающего масла 86
3.1.3.1. Измерение расхода охлаждающего масла 86
3.1.3.2. Измерение температуры охлаждающего масла 87
3.1.4. Фотосъёмка процесса течения масла вдоль возвратно поступательно движущейся поверхности исследуемого элемента 87
3.2 Экспериментальная установка для определения параметров торможения струи масла вдоль поверхности течения 88
3.2.1 Схема установки 88
3.2.2 Параметры измерения 89
3.3 Оценка точности измерения 89
Результаты расчётно-экспериментальных исследований 92
4.1. Обработка результатов экспериментального исследования торможения потока масла в канале 92
4.2. Изучение фотосъёмки процесса взаимодействия струи масла с движущейся поверхностью охлаждаемого элемента 96
4.3. Расчёт локальных значений коэффициента теплоотдачи на охлаждаемых поверхностях по экспериментальным данным 100
4.4. Сравнение результатов теплового состояния исследуемого элемента полученного по данным эксперимента и путем математи- 100
ческого моделирования
4.4.1. Сравнение теплового состояния с гладкой и с дискретно-прямолинейной поверхностью охлаждения 103
4.4.2. Результаты исследований и расчёта с помощью МКЭ распределения температуры элемента с цилиндрической поверхностью охлаждения 105
4.4.3. Результаты исследований и математического моделирования теплового состояния элемента с поверхностью охлаждения повторяющей внутреннюю поверхность поршня быстроходного дизеля 112
4.5. Исследование локальных нестационарных тепловых нагрузок на поршне быстроходного дизеля 121
Общие выводы по диссертационной работе 123
Список литературы
- Роль и значение моделирования процессов теплообмена при проектировании и доводке современных поршневых двигателей
- Теплообмен при взаимодействии струи с преградой
- Экспериментальная установка моделирования теплообмена от поршня в охлаждающее масло
- Обработка результатов экспериментального исследования торможения потока масла в канале
Введение к работе
Проектирование поршневых двигателей, отвечающих современным требованиям по токсичности отработавших газов, топливной экономичности и сроку безотказной работы, связано с форсированием ДВС по среднему эффективному давлению и скоростному режиму, что приводит к интенсификации всех процессов, происходящих в цилиндре, в том числе процесса теплоотдачи от горячих газов к стенкам камеры сгорания. В свою очередь, интенсификация теплопереноса влечёт за собой значительное повышение температур и температурных градиентов в деталях ЦПГ, что отрицательно влияет на их работоспособность. Таким образом, основным ограничением степени возможного форсирования является тепловая напряжённость деталей, образующие камеру сгорания и определяющих надёжность и долговечность двигателя.
Важной задачей на этапе создания новых и модернизации существующих двигателей является достоверное прогнозирование температурных полей поршней. К настоящему времени основным расчётным методом, дающим возможность с достаточной точностью определять тепловое и напряжённо-деформированное состояния деталей двигателя, стал метод конечных элементов. Уровень существующих программных пакетов обеспечивает высокую точность получаемых результатов. Решающую роль в оценке теплового состояния играет достоверность определения граничных условий теплообмена по многочисленным поверхностям поршня.
Достижение оптимального температурного режима деталей камеры сгорания при современном уровне форсирования ДВС часто требует интенсификации теплоотдачи в охлаждающую жидкость. Применительно к поршням речь идёт о принудительном масляном охлаждении.
К настоящему времени струйное охлаждение зарекомендовало себя, как простой и достаточно эффективный способ снижения тепловой напряженности поршней. Однако процесс теплообмена между потоком масла и охлаждаемой поверхностью поршня остаётся одним из наименее изученных явлений. Это обусловлено выраженной нестационарностью и локальностью параметров теплообмена, их зависимостью от режимов двигателя и конструкций поршня. Существующие методы оценки интенсивности теплоотдачи от поршня в масло носят, как правило, эмпирический характер и не дают ясного представления о физической картине процесса.
Теоретические и экспериментальные исследования локального теплообмена и разработка методов улучшения теплового состояния деталей двигателей являются одной из актуальных научно-технических задач и делают актуальным углубление существующих и развитие новых расчётных методов исследования процессов теплопереноса, в том числе при масляном охлаждении поршней. Это обеспечит сокращение времени и материальных затрат на проектирование и экспериментальную доводку.
Актуальность настоящего исследования связано с необходимостью уточненного определения граничных условий теплообмена охлаждающихся поверхностях поршня.
Цель работы: Разработка метода расчёта локального распределения граничных условий теплообмена между потоком масла и охлаждаемыми участками внутренней поверхности поршня.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
• анализ характера взаимодействия струи охлаждающего масла с возвратно-поступательной движущейся поверхностью поршня;
• экспериментальное исследование динамических характеристик потока масла, двигающегося по каналу прямоугольного сечения;
• разработка метода, алгоритма и программы расчёта параметров динамического и теплового взаимодействия струи охлаждающего масла с движущейся поверхностью поршня;
• создание экспериментальной установки для моделирования теплообмена между поршнем и охлаждающим маслом, позволяющей проверить основные теоретические положения, использованные при разработке математической модели;
Научная новизна работы состоит в создании на основе выполненных теоретических и расчетно-экспериментальных исследований, математической модели охлаждения поршня маслом, подающегося через неподвижную форсунку на внутреннюю поверхность и получении значений параметров интенсивности теплообмена на этих участках.
Достоверность и обоснованность научных положений обусловлены:
• применением фундаментальных законов гидро- и термодинамики, теории тепломассообмена, современных аналитических и численных методов математического моделирования;
• экспериментальным подтверждением приемлемой точности основных положений, лежащих в основе математических моделей, хорошим качественным и количественным согласованием расчётных и экспериментальных результатов.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
• создана прикладная программа, позволяющая на стадии проектирования определять локальные значения параметров теплообмена на охлаждаемых поверхностях поршня, что позволяет повысить эффективность расчетно-экспериментальных и конструкторско-доводочных работ;
• создана моделирующая экспериментальная установка, позволяющая проверить адекватность математической модели теплового и динамического взаимодействия потока масла с охлаждаемыми участками внутренней поверхности поршня;
Апробация работы
Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана 20 октября 2005 г.
По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады на:
• XIV Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, г.Рыбинск, РГАТА, 26-30 мая 2003 г.
• Международный симпозиум «Образование через науку». Секция «Двигатели внутреннего сгорания», Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 17 мая 2005г.
• XV Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, г.Калуга, РГАТА, 23-27 мая 2005 г. Основные положения диссертации отражены в следующих работах:
1. Чайнов Н.Д., Мягков Л.Л., Кареньков А.В. Влияние масляного охлаждения на тепловое состояние поршня// Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XIV Школы-семинара молодых учёных и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. — М., 2003. —С. 77.
2. Чайнов Н.Д., Мягков Л.Л., Кареньков А.В. Задачи гидродинамики струйного охлаждения поршней. Международный симпозиум «Образование через науку2: Материалы докладов секции «Двигатели внутреннего сгорания» (Отдельный выпуск).-М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана., 2005. - С .397.
3. Чайнов Н.Д., Мягков Л.Л., Кареньков А.В. Влияние интенсивности масляного охлаждения на тепловое состояние поршня// Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XV Школы-семинара молодых учёных и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. — М, 2005. — С. 100-103.
4. Чайнов Н.Д., Мягков Л.Л., Кареньков А.В. Влияние масляного охлаждения на тепловое состояние поршня// Двигатели внутреннего сгорания, Всеукраинский н-т журнал. — Харьков, 2005. — №2. - С.66-70.
5. Чайнов Н.Д., Мягков Л.Л., Кареньков А.В. Расчёт интенсивности масляного охлаждения поршней ДВСУ/Известия вузов. Машиностроение. — М., 2006.—№7.-С. 42-52.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Она содержит 123 страницу основного текста, 65 рисунков, 12 таблиц, 10 страниц со списком литературы из 112 наименований.
Роль и значение моделирования процессов теплообмена при проектировании и доводке современных поршневых двигателей
Поршень является одной из наиболее ответственных деталей цилинд-ропоршневой группы (ІДІІ1) двигателей внутреннего сгорания. Его работоспособность определяет надёжность двигателя в целом.
Основным назначением поршня является передача силы от давления газов в камере сгорания через шатун на коленчатый вал двигателя. Его конструкция должна максимально соответствовать назначению. С одной стороны толщины днища, бобышек и стенок должны обеспечивать запас прочности по отношению к тепловым и механическим нагрузкам. С другой стороны минимизация массы поршня важна для снижения инерционных сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме.
Работая в условиях высоких температур, больших амплитуд давлений и ускорений, поршень должен выполнять следующие функции: - восприятие давления горячих газов; - передачу силы давления на поршневой палец; - отвод части теплоты от горячих газов в кольца, гильзу цилиндра и картерную среду, при охлаждения маслом или масляным туманом. Для непрерывного и стабильного воспроизведения рабочих циклов не обходимо, чтобы поршень выполнял свои функции в течение длительного периода времени, соизмеримого с моторесурсом двигателя.
В настоящее время проектирование и оптимизация конструкций поршней для двигателей нового поколения невозможны без углублённого исследования температурных условий работы поршневого комплекта. Традиционный метод аналогий становится неприемлем. Значительная экономия временных и интеллектуальных ресурсов при разработке может быть достигнута с по мощью математического моделирования теплового состояния. Это позволяет не только производить детальный анализ полей температур, деформаций и напряжений, но и проводить их оптимизацию с учётом конкретных режимов работы двигателя. При создании математических моделей учитывается большое количество факторов, определяющих теплообмен: вытеснительное действие поршня, образование вихревого движения в процессе впуска и сжатия, турбулизация за счет сгорания и так далее. Однако с усложнением модели, при увеличении количества рассматриваемых факторов ее реализация на ЭВМ становится более трудоёмкой [37] .И если с этим можно мириться при исследованиях, ставящих целью детальный анализ рабочего процесса и теплообмена, то для конструкторских много-вариантных расчетов чрезмерно усложненные модели может оказаться неэффективными.
На сегодняшний день основным методом анализа тепловой и механической напряженности деталей двигателей считается метод конечных элементов (МКЭ) [77] . Его повсеместное применение обеспечивается наличием универсальных пакетов прикладных программ. Важно отметить, что применительно к поршневым двигателям, эффективность математического моделирования напрямую зависит от наличия ориентированных на двигатели методик и алгоритмов, адекватных по уровню используемым конечно-элементным программам.
Достоверность задания граничных условий (ГУ) теплообмена предопределяет точность расчетного определения температур и напряжений [55]. При этом оценка ГУ является ответственным этапом расчетов, при проведении которых используются обычно различные виды граничных условий теплообмена.
Граничные условия первого рода требуют знания распределения температур на поверхности детали, которые в начале расчёта неизвестны. . Плотность теплового потока (ГУ второго рода) позволяет определить температурные поля с точностью до постоянной, что означает определение температурных перепадов, чего недостаточно при проектировании поршня и других теплонапряженных деталей, вследствие зависимости от температуры прочностных свойств материала поршня, смазочных характеристик масла и
При проектировании теплового состояния поршня обычно используют ГУ третьего рода. Например при рассмотрении теплообмена между слоем охлаждающего масла и стенкой коэффициент теплоотдачи Сможет быть представлен:
Теплообмен при взаимодействии струи с преградой
В общем случае конвективный теплообмен при взаимодействии струи с преградой описывается системой дифференциальных уравнений пограничного слоя для течения градиентом давления:
Как известно данная система не замкнута [90], что затрудняет анализ процесса. Многообразие условий, формирующих струи и характер их взаимодействия с обтекаемыми телами в реальных условиях сильно усложняют аналитическое решение. Поэтому большинство решений носят полуэмпирический характер, с привлечением экспериментального материала [5,8,25,27,50,84].
Потенциальное ядро потока с постоянной осевой скоростью и пограничный слой струи формируются на начальном участке при выходе из сопла. Длина этого участка, зависит от профиля скорости и по данным [1,99,100] составляет hH = (4..7)dg. Далее пограничный слой смыкается, и развитие струи сопровождается падением скорости на оси, определяемым законом сохранения импульса. Влияние преграды на гидродинамические параметры на текающей струи начинает проявляется на расстоянии hn = (1.2..1.5 )dg (рис.2.1.) от поверхности [84]. Поэтому все соотношения, характерные для свободной струи в области между срезом сопла и сечением, находящимся на расстоянии hnOT преграды (область I), остаются справедливыми [9]. Кроме указанной области в течении одиночной струй выделяют еще две - область градиентного течения в зоне удара и разворота струи на преграде II и область пристенной струи III.
Схема перпендикулярной струи Свободная затопленная струя давно является предметом изучения, поэтому характеристики течения в области I достаточно подробно исследованы [27,50,1,10,23].
Анализ областей II и III невозможен без учёта тесной взаимосвязи между конкретными условиями развития свободной струи и закономерностями локального теплообмена на поверхности преграды.
В области II течения струи в зоне торможения и разворота образуется пограничный слой, близкий к ламинарному [84]. Статическое давление достигает своего максимального значения в точке полного торможения (критическая точка) и затем уменьшается до давления окружающей среды. Ско рость на внешней границе ПС растёт от 0 до максимума Umax на радиусе
Rjjmax Изменение градиента давления области II делит её на две зоны: ок рестность критической точки, в которой /jn — Const, и следующую за ней зону переходного течения, где происходит падение градиента давления. Координата поверхности преграды, в которой прекращается падение давле Лр / п ние U1 / jr. да і/ является началом области III. /ак При изучении струйного охлаждения поверхности наиболее важным участком исследования является градиентная область течения. Основными параметрами, определяющими теплообмен являются радиент скорости на IT J / внешней границе ПС /5 = /j-n и - толщина ПС 8.
Экспериментальная установка моделирования теплообмена от поршня в охлаждающее масло
Температуры рабочих тел и деталей двигателей влияют на протекание и параметры рабочего процесса. Работоспособность таких деталей, как поршни, поршневые кольца, гильзы и головки цилиндров, клапаны, непосредственно зависит от их теплового состояния. Поэтому при испытаниях двигателей измерению температур их деталей уделяют большое внимание.
Исследование теплового состояния деталей двигателей может осуществляться различными способами: 1. С помощью специальных термокрасок. 2. Измерением поля твердости материала детали или твердости специальных «свидетелей». 3. С помощью плавких вставок. 4. Термопарами. Термометры сопротивления для этой цели используются редко.
Первый способ наиболее применим при исследовании температурного поля наружных поверхностей некоторых деталей и корпуса двигателя. На сегодняшний день существует несколько видов термокрасок и термокарандашей, позволяющих измерять температуру в диапазоне 50—1500 С. Данный метод основан на изменении цвета термокраски при нагревании детали до температуры перехода. Последняя зависит от времени нагрева и продолжительности выдержки при данной температуре и определяется предварительно тарировкой. Точность метода зависит от разности температур перехода двух соседних термокрасок и не превышает, как правило ±(5-10) С.
Второй метод, основанный на изменении при нагреве поля твердости материала детали или твердости специальных «каленых» штифтов, имеет более широкую область применения и позволяет измерять температуру в интервале 200 - 500 С с точностью до ±5% [90]. Наибольшее применение метод получил при термометрии клапанов и поршней двигателя.
Метод плавких вставок используется в основном для термометрии поршней небольших высокооборотных двигателей, где его применение оправдано простотой разборки и сборки, приемлемой точностью и сложностью применения более совершенных методов измерения.
Замер температуры по этому методу проводят следующим образом. Ориентировочно прогнозируют температурное поле поршня и в избранных местах в специально выполненные глухие отверстия зачеканивают плавкие «свидетели», представляющие собой короткие трубки длиной 3-5 мм, заполненные специальным сплавом. В районе точки измерения устанавливают несколько «свидетелей» с близкими температурами плавления. Заполнение сплавом и установка выполняются так, чтобы при испытании исключить непосредственное попадание пламени на материал плавкой вставки. После того как двигатель проработает на исследуемом режиме в течение 25—30 мин, его разбирают и осматривают поршни. Температуру в месте измерения определяют как среднюю между температурами плавления самого холодного из невыплавив-шихся «свидетелей» и самого горячего из выплавившихся. Таким образом, точность измерения ±(1 - 6%) тем выше, чем меньше разность температур плавления двух соседних вставок.
Этот способ достаточно прост, если не считать необходимости разборки двигателя, но не позволяет регистрировать изменение температуры деталей двигателя при переходе с одного режима работы на другой.
Наиболее универсальным является измерение температур с помощью термопар. Достоверность результатов измерений температуры в значительной мере зависит от конструкции термопары, способа заделки ее в месте измерения, качества изоляции и класса точности применяемых измерительных приборов, а для движущихся деталей — и от способа токосъема.
Для измерения температуры в двигателях, как правило, приходится пользоваться термопарами специального изготовления. При этом наряду со стандартными парами из хромель-копеля (приблизительно 6,95 мв на 100, с пределом измерения до 800 С) и из хромель-алюмеля (4,1 мв на 100 до
1100 С), часто используют и пары из медь-константана (4мв,ло 500 С), же-лезо-константана (5,2 мв, до 600 С) и нихром-константана (5,6 мв, до 900 С). Размеры спая и диаметр термоэлектродных проводов существенно влияют на точность измерения. Обычно термопары изготовляют из предварительно отожженной проволоки диаметром 0,1—0,5 мм. Для повышения точности измерения необходимо по возможности использовать более тонкие термопровода, особенно в тех случаях, когда не удается осуществить выводы от спая по изотерме.
Обработка результатов экспериментального исследования торможения потока масла в канале
Для расчёта интенсивности теплообмена охлаждаемая поверхность разбита на 10 прямолинейных участков. Расчётная схема представлена на рис.4.16г.
На рис.4.17 и 4.18 представлены экспериментальные и расчётные данные по распределению в элементе моделирующий поршень при частотах вращения KB п = 500 об/мин и n = 1000 об/мин с различными расходами охлаждающего масла от 50 л/час до 120 л/ч.
Численные значения локального распределения коэффициентов теплоотдачи вдоль охлаждаемой поверхности приведены в табл. 11,12.
На рис.4.119 для участка №6 поверхности охлаждения представлены графики изменения величины коэффициента теплоотдачи от расхода охлаждающего масла.
Расхождение в значениях расчётных и экспериментальных коэффициентов теплоотдачи полученных не превышает 20%. Моделирование теплового состояния элемента имитирующего поршень
На рис.4.20 представлено локальное распределение значений коэффициента теплоотдачи вдоль поверхности охлаждения для при частотах вращения KB п = 500 об/мин и п = 1000 об/мин и расходе масла 113.6 л/ч и 112.1 л/ч соответственно. Видна недостаточная эффективность охлаждения второй половины модельного элемента при n = 1000 об/мин. На рис.21 представлен возможный способ повышения интенсивности охлаждения за счёт увеличения начальной скорости масла с 16м/с до 24м/с при сохранении постоянным значения расхода. Таким образом можно сказать, что вопрос оптимизации эффективности охлаждения для поршней быстроходных двигателей возможен путем улучшения характеристик сопел масляных форсунок. Как показывают расчёты на высоких частотах вращения KB именно скорость подачи масла играет главную роль, так как напрямую увеличивает кинетическую энергию потока повышая его способность «переваливаться» через купол поверхности охлаждения без отрыва.
Общие выводы по диссертационной работе
1. Разработаны метод, алгоритм и программа расчёта процесса теплопередачи при струйном способе охлаждения поршня. Метод учитывает зависимость толщины масляного слоя на охлаждаемых участках поршня от геометрии поверхности, частоты вращения KB и давления в масляной магистрали. Разработанная программа позволяет исследовать характер теп-лоотвода на различных нагрузочных и скоростных режимах работы двигателя;
2. Создана экспериментальная установка для моделирования тепловых нагрузок на поршень двигателя, позволяющая исследовать влияние частоты вращения, расхода и температуры масла на эффективность теплосъема на охлаждающей поверхности.
3. Экспериментально подтверждено, что изменение теплового потока в масло имеет зависимость от локального распределения толщины масляного на охлаждаемой поверхности.
4. Оценена возможность оптимизации толщины пленки охлаждающего масла на поверхности поршня изменением по расходу и начальной скорости, для различных режимов работы двигателя. При неправильном соотношении этих параметров струйное охлаждение становится малоэффективным. В первую очередь это связано с удержанием плёнки масла на охлаждаемой поверхности. Так при больших п 2000 даже большой поток масла может не преодолеть сил инерции и сорваться вблизи купола внутренней поверхности поршня, оставив тем самым вторую половину поршня без охлаждения.
5. Расчётным путем установлено, что применение струйного охлаждения для поршня быстроходного дизеля на режиме номинальной мощности снижает его температуру в среднем на 20С на кромке КС и на 18С в районе первого поршневого кольца.
