автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Теоретические аспекты, методы и пути улучшения теплового состояния охлаждаемых деталей поршневых двигателей

РГ6 од

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской 2 0 .^ёНолйции и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет им. Н, Э. Баумана

На правах рукописи УДК 621.436

НОВЕННИКОВ Алексей Леонидович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ, МЕТОДЫ И ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ОХЛАЖДАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 — Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1993

Работа выполнена в Ярославском политехническом институте.

Официальные оппоненты :

доктор технических наук, i

доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор

Л1. Р. Петриченко, Н. Д. Ч а й н о в, I В. В. Э ф р о с.

Ведущая о р г а н и з а и и я: АЛЮ «ЗИЛ»

Защита состоится 13 октября 1993 г., с 14 часов, на заседании специализированного совета Д 053.15.10 при Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу: Лефортовская набережная, д. 1, корп. факультета «Энергомашиностроение», а уд. 234.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ.

Отзииы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по-адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ, ученому секретарю специализированного совета Л.053.15.10.

Автореферат разослан « » 1993 г.

Ученый секретарь

специализированного совета кандидат техн. наук, доцент

Н. А. Иващенко.

0Б1Щ ХАРАКТЕР/США РАБОТУ

Актуальноеть проблемы.

Все усиливавшееся форсированна двигателей внутреннего огорания связано о интенсификацией всех процессов, происходящих в цилиндре, в том числе и процесса теплоотдачи от газов к его отенкам. Последнее приводит к повышению темпера/уры деталей двигателей и увеличение а них термических напряжения. 3 связи о этим назрела острая необходимость в разработке мер, позволяющих уотраняггь перегрев двигателей, и выводить их не оптимальный температурная режим.

Наиболее доступным способом реализации требуемого температурного режима деталей, ограничивающих цилиндр, является воздействие на кнтеноивность теплоотдачи в охлакдавщуо жидкость. Последнее осуществимо лишь на основании закономерностей процеоса теплоотдачи в охлак-двввдю среду.

Вопросам теплообмена а жидкостных оистемах охлаждения двигателей посвящены работы А.А.Чнрковз, Е.С.Огефановского, Р.М.Петриченко, Г.ЕЛозенблитв, А.Ф.Шеховцова, Чаянова Н.Д., Костина А.К., Максимова E.A.j Петрпоико .'Í.P.' ж рдда друга нееледоватв.гб2 ,

Однако большая слокноегь проблемы, не учет в ряде случаев принципа локальности, отсутствия данных о критических условиях охлаждения позволяет считать изыскания в этой области недостаточна»«.

Поэтому теоретические и экспериментальные исследования теплообмена в условиях локального охлаждения и разработка на этой основе методов и путей улучвения теплового состояния деталей двигателей является одной из актуальных научно-технических проблем двигателе-строения.

•цель рботы. Повысение надэяности и долговечности двигателей зв счет совершенствования охлвидения теплонапряжэнных деталей. Конкретными задачами исследования являются:

1. Развитие теории теплообмена при погерностном кипении и получение на этой оонове расчетных зависимостей для прогнозирования интенсивности теплоотдачи от охлакзземых деталей к теплоносителя.

2. Изучение зако'-ог«- ностея теплоо;мена п гидродинамики при струйном и канальном охлзг.-хеиик (локальные способы) а условиях систем

• охлаждения двигателей с тем, чтобы ese на стадии проектирования прогнозировать.температурные поля и напряжения в деталях и разрабатывать veiи, позволявшие сникать при необходимости их теплонапря-женяоегь.

г

з. Получение данных и разработка 'методой дальнейшей интенсификации теплообмена при локальном охлаждении деталей перспективных высо-

' кофорсированных двигателей. Обоснование рациойальных конструктивных вариантов ¡охлаждения головок и гильз цилиндров автомобильных дизелей.

5, С учетом физико-химических процессов, протекающих в оиотеме охла. ' Дания двигателей, разработке комплекса лабораторных уотано!...; дл> исследования основных свойств жидкостей, предлагаемых для охлаждения двигателей.

Научная новизна работы определяется рядом оригинальных теоретически;

и.методических разработок, к ним можно сгнести:

- математическую модель переноса тепла в охлаждающую среду при хара; терном для современных ДВ5 режиме поверхностного кипения;

- методы локальь'ип интенсификации теплообмена в условиях жидкостных оистем охлакцения двигателей;

- результаты ¡экспериментальных и теорезлчоских исследованиТ гидродинамики и теплообмена при струйном охлаждении или охлаждении с помощью коротких сверленых каналов как деталей двигателя', так и ггугих объектог;

- разработанные и эксперслангально проверенные мето..,ы определения локальнах граничных условий ;.:идкосгного охлаждения дет.алей двигателя, а также куитичеог.их уровней тепловых нагрузок, при превышении которых охлаждаемых поверхностях образуется паровая пленка

Практическ^ю^цечность представляют: . . ■

- рвсчатно-экспериментальные методы улучшения теплового оостояния охлаждаемых деталей двигателя;

- методы и пути аффективного локального охлаждения теплонапряженных деталей;

- обоснованные конструктивные варианты охлаждения головок и гильз цилиндров поршне лх двигателей, защищенные авторскими свидетельствами;

- разработанная и примененная на двигателе ЗИЛ-б'й автомобиля сШМЭ31 оригинальная система охлаждения, ее оригинальность защищена авторскими свидетельствами. Предложенная система охлаждения обеспечивает поддержание теплового состояния теплонапряженных деталей дизеля на оптимальном уровне, повышая его надежность и долговечность. Кроме того конструкция головок цилиндрсз со оверж ними каналами охлаждения в межклапвпных перемычках и без водосбо ного канала обеспечивает снижение их м9~пллоемкости и массы.

ЭкономичеокиЯ эффект при ¿ыпуоке 70000 шт. автомобилей в год составляет более 2 млн. рублея;

комплеко лабораторных установок для определения оснэьних свойств охлаждающих кидкоотеП и контроля за этими свойствами в процессе эксплуатации двигателя. Экономический эффект от внедрения этого комплекса на ПО "Звезда" составил 170 тис. рублей.

пробация_работы. Результата исследовзний докладывались на Эсесосэ-их конференциях: "Тепловыделение, теплообмен и теплонэпрлкенность асохофорсированных ЛВС, работа, их на устаиоаизаихсл режимах" Ленинград, 1976'г); "Проблемы автоматизации разработки двигателей" Коломна', 1973 г); "Проблемы создания и использования двигателей ■ высоким наддувом" (Харьков, 1979 г); " Проблемы повышения техни- ; эского уровня дизельных двигателей" (Токмак, 1979 г); "Перспективы азвигия комбинированных дв.,гателеЯ внутреннего сгорания и даигате-еП новых схем и топлив" (Мос:вэ, 1980, 1987 г); "ЗысокиЯ наЗдув орвневых двигателей и роторные двигатели" (Тбилиси, ШГ г); Проблемы (*орсировэния и нагекности тракторных и комбайновых двига-еле.1" (Владимир,. 19?5 г); "Двухфазны?! поток в энергетических маши-ах и аппаратах" (.Ленинград, 1985 г); "Проблемы совершенствования абочих процессов в двигателях внутреннего сгорания" (Мооквэ, 1936 г); Актуальные проблемы ДЕпгателест роения" (Зладимир, 1987 г); Всесооз-ых школах-семинарах "Со в ременное пгоблемы газодинамики и теплообме-а и пути повычиния эффективности энергетических установок" (Звени-ород, 1983 г и Нарва, 1986 г); Всесзшны семинарах по проблемам ЗС (МВТУ, 1960,1933,1933 г); (ЛИ, '1934,1939 г); (ЛСД!, 1933,1990 г); аучно-техническоЯ конференции "Повышение эффективности проектирова-ап, acnuTBiurt и эксплуатации автомобилей" (ГорькиЯ, 1933 г); научно-ехническон семинара "Совзрсенствование мочностных, экономических и кологическях показателэп дЗС" (Владимир, 1991 г); научно-технических .он^орзнциях и cewmajax в ЯрЛХ (197<Ы99£ г).

^бшкациа. По результатам диссертационного исследования опубликованы оногуссил (в созвтоjсте9;, более МО стотей, получено 13 авторских ¡видетельсгв и 3 положительных рес-ения на изобретения. •

lite»« и структур рэс'оты, Лиссэргация состоит из введения, шеоти 'Л2в, эмслочония и выводов. Онэ им?ет 273 страницы машинописного екст?, 21*» рисунков и 13 таблиц. Список литературы включает 214 ;з?очнкхоэ.

СОДБШНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и дана общая характеристика работы.

Ь_главе_1 выполнен анализ фвкторов, определяющих температурное поле охлаждаемых деталей ЛВС!. Показано, что основная возможность для улучшения теплового состояния таких деталей заключается в рационализации их охлаждения, в соответствии о которым, учитывая распределение теплового потока, обеспечивают интенсивное охлаждение наиболее теплонапрякенных мест и ограничивают охлаждение зон о низким уровнем тепловоз нагрузки. Для этого необходимо, во-первых, знания о возможных режимах охлакденил и теплоносителях для выбора наиболее соответствующих указанному принципу и, во-вторых, о наиболее эффективных мегочах локального охлаадения.

, Установлено, что характерными режимами теплоотдачи являются вынужденная конвекция в однофазной охлаждаюпей ореде и неразвитое поверхностное кипег.ие пр'/ вынукденнои движении тепло!,ооителя, когда на поверхности нагрева, температура которой выше тем."вратуры наоыве-ния охлакдавадй среды, проиоходг? непрерывный процзсо возникновения, роста и отрыва паровых пузырей, кондэнсируюкчхся зв'вм в кидкооти, недолгой до температуры наоытэия,!.

Идее локального охлаждения в большей мере отвечает режии поверхностного кипения, поскольку, во-первых, интенсивность теплоотдачи в этом режиме существенно выше и, во-вторых, коэффициент теплоотдачи зависит от тепловой нагрузки, следовательно, там, где онв больше, там автоматически выше оС . В то ке время для поверхностного кипения результаты исследований являются противоречивыми, что требует уточнения физического механизма процеооа и основных закономерностей теплоотдачи.

Гри выборе наиболее перспективных опоообов локального охлаждения необходимо, чт"би при их реализации высокая интенои_ность теплообмена сочеталась с минимальными энергетическими затратами. От он да наиболее выгодны мероприятия максимально интенсифицирующие локальный теплообмен не только и не столько за счет повышения окорсти теплоносителя, сколько путем использования различных сслутстаувтих эффектов, например, торможения струи на преграде. Простота и гибкоот* в управлении таким процессом, относительно небольшие затраты мощности, возможность интенсификации и локализац и теплообмена - основные преимущества теплоогводв о помощью затопленных импакгных стдгй.

Выполненный анализ теплофизических исследовании a oroft области (работы Е.Н.Юдаеаа, З.К.Сввинз, Е.П.дыбзна, А.Л.Мазура, И.А.Евлова, Р.Гордона, К.Акфирата и др.) показал, что слокность процесса и многообразие условии взаимодействия приводят к неоднозначности результатов исследования, оотзются открытыми многие вопросы гидродинамики и теплообмена. Например, не изучен теплообмен в тупиковой полости, малоизучены вопроси взаимодействия струи с ту рбулиэ агорами на преграде.

Другим эффективном методом локально^ интенсификации теплообмена является использование коротких сверленых каналов в качество констру*.-т'ивных элементов. В литературе имеется сведения о применонии коротки: сверленых каналов для охлаждения как головок, так и гильз цилиндров. Крывки и втулки цилиндров судовых дизелей со сверлеными каналами серийно выпускает фирма "Зульцэр". 3 настоящее время сверленые каналы в той или иной мере использует в своих новых конструкциях заводы наиаЯ страны (ЗИЛ Я"3, ЕМЗ и др.) и зарубежные фирмы (ЗЖО; Де'йтц, Дзпнлор-Еенц, Перкинс, йсузу и др.). Их эффективность определяется комплексным воздействием на термическое сопротивление потоку тепла.' Для прогнозирзания работоспособности деталей с канальным охлаяаенком необходимы достоверные данные о локальных условиях теплообмена. Выявленный в результате анализа литературы недостаток в таких данных, в том числе и при использовании в качестве охлакдаи.;их кидкоатея внтифриза или моторного масла, ограничивает возможности численных методо», усложняет создание и доводку новых конст [укци;!.

При любом способе охлаждения интенсивность теплоотдачи зависит от теплофизических сголств теплоносителя. Но в системе охлаждения, кроме процесса теплоотдачи, протекайт и другие физико-химические процессы (коррозия металлов, кавит ационнэя эрозия металлов, рчзрусаки« резино-тег.ничесг.их изделия), образование отлокениа на тег.лоотдао-иих поверхностях, которые влияет на надежность двигателя и зззисяг от применяемого теплоносителя. Последнее требует создания комплекса лабораторных установок для исследования оснозных свойств охлакдзвиих кидкостеЯ, поэволляиЯ оперативно исключать на.ригодные образцы теплоносителея, выл;ллть до проведения эксплуатационных испытания те качества теплоносителя, которые могут оказать неблагоприятные эоз-.еястаиз на работоспособность систем« охлаждения и двигателя в целом. ' _

С учетом перечисленных проблем поставлены задачи и намечены пути их ревения на основе coseрЕенетаоваиия и разработки рзеч^тно-

оксперимантальных методов исследования локального теплообмена, проведения экспериментальных исследований, раэраоотки новых путей улучшения теплового состояния охлаждаемых деталей.

Глава 2 поовядена выяснению физичеоких особенностей и разработке кь.-еквтическо:'! модели теплоотдачи в рекиме поверхностного кипения. Поскольку математическая модель долина основываться на четком представлении о физическом механизме процесса пришлось обосновать наиболее вероятный (гипотеза Н.Снвадера). Последний включает в себя процесс пврообразования в объемы пузырьков с тонкой пленки кидкости. рвсполокенно!*. иекду пузырьком пэра и нагреваемой поверхность», и одновременную конденсацию пара в верхней' части пузырька.

Таким образом, пузырьки пара являйся своеобразными "тепловыми трубками", через которые тепло все время, п<?ка существует пузырек, о высокой ингзнсивипотыо переносится от стенки в ядро Потока.

Основываясь непринятом физическом механизме описаны динамика и теплообмен одиночного парового пузырька в режиме поверхностного кипения оистемой, в которую входят сравнения, определяющие изменение плотнооти паре в пуэырько

уравнения состояния, определявшие давление пара в пузырьке при условии Та " ^

уравнения Роле;:, определяющие изменение раиуса парового пузанка

. АГ&)ЛШ 'Г* О)

о сГ'А ^ з Г**)*

Л ¿¡ГР +

уравнения энергии для кидкости

_ /^гГм ^

" О? 1 *г '

граничные условия: '

к» АС*) Ъ-Ъ(-к)

'А1'Л. 5-л к- — г,, г*" -г?

начальные условия: ^ . ТЛ ; ^ ¿ГА)

- 'т») - ъ-7'

■4* ' ' /.ОД пГ

с

В уравнениях приняты оледуощие обозначения:

Та - температура теплоогдаоаэя поверхности под пузырьком; Т», - температура, давление, плотность и скорость кидкости

в ядре потока; - температура на поверхности пузырька; & - теку-

щий радиус пузырька; , - температура, давление и плотность

пара внутри пузырька;./^,«!/, С/, £ - теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость, теплота парообразования кидкости; Д - коэффициент, числовое значение которого лекит а пределах - о~ 5 до 10; - коэффициент конденсации; Я] - газовая постоянная;

^л - коэффициент турбулентно:? теппзратуропровозности. В конечно;.: итоге элементарное количество тепла отводимого от ; нагретой стенки в кидкость' через пузырек определяется: ;

Пооле интегриро'вания получим

д, * (6)

" 7>

где - время-су иствоэания пузырька до его отрава от поверхности,

В соответствии с результатами теплотехнических работ начальный радиус пузирька Я• определялся по обобщенной зависимости

ь * Л ^ Р'>" (7)

где Рк - критерия Прачдтля; 0$ - пове, ,;ноотное нагяяенио;

- коэффициенты, определяемое на основании оплных данных, '/сходя из уравнения баланса сил найдено расчетное выражение для определения отравного радиусо парового пузырька:

(0)

7 ли'»* 7*'г

л9 *>Т (Лй* с*, ^Х^

где Л « 4.10"'' и » 0,25, ¿»л«*- эквивалентная диаметр канала.

Fei.sK не полученной система у;овнениа зозмо:.;ио линь 'численными ието';2ик. Б работе предлагается использовать нотод сеток. Предварительные резульгзти, полученное с помогьк теоретическо". модели, показаны на рис. I. Мог/о сделать несколько замечаний: во-первых, максимальний ргимзр пузырька весьма чувствителен к изменение кезффкцг.зкта конденсации; во-вторых, кривая 3 показывает, что пузырен полное! ье-не захлопнется при «алых значениях ^б^ ;

в-третьих, полученные кривые качественно соответствуют экспериментальным результатам, привояимым в теплотехнических работах, что подтверждает справедливость как принятого физического механизма, так и разработанной математической модели.

Д..л уточнения значений коэффициентов ^ , й,**,гп были использованы опытные данные, полученные Н.Снайдерм и Т.Робином.

Для перехода от модели одиночногЬ пузырька к модели кипен: с недогревом на теплоотдакщих поверхностях деталей двигателя необходимы экспериментальные данные о числе центра парообразования, интенсивности конвективного теплообмена от поверхности не занятой пузырьками . и количественных характеристиках теплоотдачи в целом.

Опыты проводились на физической модели системы охла&дения гильзы цилиндра и действующих двигателях 14 1Э/11*, 8ЧН 13/14. В последнем случае помимо чисто теплотехнических измерялись также параметры, характеризуете рабочий процесс и статьи теплового баланоа. Методика слспериментов была обычной для испытания такого года.

Рабочий участок модели прегстов:: собой теплообменник типа "труба з трубе", в котором осуществлялась теплоотдача от нагретой поверхности внутреннего цилиндра к потоку охла;.;дси!Чэп воды. Источником тепла являлся электронагреватель, помеченный внутрь цилиндра. Диакитры наружных цилиндров вврьировплись, но внутренний оставался неизменным (60 км); материал и качество обработки теплоотдаввдя поверхности последнего соответствовали техническим условиям на изготовление гил-з цилиндров двигателей типа ЯМЗ.

Для исследования особенностей парообразования при поверхностном кипении применялась фотосъемка через наружный стеклянный цилиндр диаметром 81 мм.

На режиме вынужденной конвекции выяснялись сравнительная эффективность различных схем движения теплоносителя и отепэнь влияния геометрических параметров каналов. Была отмечена четкая зависимость интенсивности теплоотдачи от ширины канала. Степень влия" я соответ-ствуюадго геометрического параметра ( весьма существенна

(0,35) и не зависит от величины критерия Рейнольдов .

Определены поправочные коэффициенты на относительную длину-канала и с помощью них все опытные точки приведены к о -ознвчной зависимости (рис. 2).

Зависимость на рис. 2 относится лишь к варианту движения теплоносителя, при которой охлавдаюаая среда попвтдится в нижнюю часть водяной подсети гильзы, о отводится из её верхней части (^э перепуска в головку). При других вариантах движения интенсивность тепло-

отдачи заметно изменялось.

В итоге для рекима выну Еденной конвекции получено критериально© уравнение Л ___

„л «><„ )*'*f .«<fS

(/£,)(?;)**. С»-

В качестве определяющей температуры принята средняя темпэратура кидкости, опроделяюкеп скорости - средняя по расходу, определяющего размера - эквивалента диаметр. Уравнение действительно в пределах - 2.103+15Л03; Р^ - 1,7+«); - О.Ы.О.

На регшме поверхностного кипения били получены данные о влиянии на интенсивность теплоотдачи основных определяющих параметров. На рио. 3 представлены графические зависимости oL'f(^) для различных значений подогревов охлахдвоцей кидкости ¿¿// , свидетельству овие о резком повышении интенсивности теплоотдачи при увеличении величины теплового потока сверх некоторой критической в результате возникновения поверхностного кипения.

Было соверпгенно четко установлено, что на интенсивноств теплоотдачи влияет и скороть охлаждайся орды, что отрицали некоторые 'последователи. Однако при интенсификации теплоотдачи необходимо тщательно увязывать эффект от изменения скорости с эффектом от изменения остальных определясадх параметров.

Использование фотосъемки дало возмовность выявить зависимости числе центров парообразования от тепловой нагрузки, скорости потока и температуры недогрова, 'подтвердившие приемлемость использованного физического механизма теплоотдачи.

В опытвх также зафиксированы значительные, у рвни тепловых потоков, протекавших через днизд головки и поэтому «окно предположить, что на высокофороированных двигателях локальныо тепловые нагрузки могут быть близкими к критическим, тек более, что такая вэроятност1-возраствет в связи с тен.генциея сирокого применения для охлавденчя антифризов, которые по теплофизическим свойством значительно уступают воде.

Учитывая ото били проведены специальные исследования на ясдо и других теплоносителях на разработанной установке .для получения Данных о критических уровнях тепловых нагрузок в условиях сиотен 'охлаждения. • .

Показано, что в этих условий для расчета критических уровней тепловых нагрузок хороиие результаты дает методика С.С.'Кутвтвладзе -АЛ.Лзонтьеве.

* Полученные результаты экспериментального 'исследования позволили перейти к разработке математической модели кипения о недогревом и ее проверке. ■ . , . .

Удельный тепловой поток, снимаемый в этом 'реяиые,,мо»;но представить в следующем виде

s *%« ,. :

где Я I- удельный тепловой поток,' протекавщий через пузырек пара;

4 7*- оредняя величина градиента температуры на пузырьке „

. за "время жизни"; . ,4/

Q - удельный тепловой поток, снимаемый o поверхности не * занятой пузырьками пара;,^ -iLC^'Tp) ; для

гильзы определяегоя в соответствии о (9)» а для головки в соответствии о формулой Мях • 4& i Ъ/Ргщ)*'**у

коэффициент, определяемый как произведение плоашди сечения отрывного пузарька на чиоло центрсв парообразования на единице поверхности; ' Обобщение опытных данных о числе центров парообразования, представленных на рио.k, позволило предложить зависимости.

для условий охла&вдния головки '

где1 - температура кипения жидкости при давлении в сиотеме. ' С учетом (II) или (12) эависимооть (10) принимает соответствувада вид

СП)

или

, я* A+'WStíjg)^^ :

го

Для проверки разребот энной методики были проведены расчеты теплообмена при поверхностном кипении в полостях охлаждения головка и гильзы двигателя, результаты которых сопоставлены о опытными • значениями, получанными на двигателях 14 13/14, 8ЧН 13/14, 84 11/11,5.

Сравнение эксперимента и теоретических расчетов показывает их удовлетворительную сходимость. Что позволяет считать обоснованным использование рассмотренной теории для анализа теплообмена в полостях охлаждения двигателей внутреннего сгорания.

Решение обратной задачи, когда необходимо определять температуру теплоотдавией поверхности при известкой плотности теплового потока, также базируется на разработаннув модель, причем нахождение . значения Тл «осуавствляетоя по схеме, аналогичной нахождении корней* трансцендентного алгебраического уравнения методом деления отрезка , пополам.

В_глав9_Э_излагаотся результата исследования закономерностей гидродинамики и теплообмена затопленной струи воды о различными, преградами в условиях, характерных для полостей охлаждения 'ДЗС.

Дано подробное описание экспериментальной установки и методик измерений. Установка представляет собой замкнутый контур со сменные ми рабочими участками двух типов: для гидродинамических и теплотехнических опытов. В соответствии о размерами лолостей.охлаиения ДЗС модель натеканид струи на пластину позволяла изменять высоту подъема насадка Ь с 0*90 мм, диаметр насадка Яв « 3-25 мм,, угол атаки » 28*90°. Модель тупиковой полости обеспечивала Изменение глубины И ■ 0*20 мм, высоты А я 8*37 мм, ширины Ь я 10*90 им и радиуса округления Я. а 0*10 мм. В качестве элементов искусственной шероховатости на плоском нагревателе укреплялись проволоки диаметром £ « 0,05*3 ми, также использовались выступи, образованные обжатием нихромовой фольги по контуру проволок.

Измерение локальных температур теплоогдаюадя поверхности осуществлялось хромедь-копелевики термоэлектрическими преобразователями с диаметром электродов 0,2 км и цифровым милливольтметром.

Характеристики течения исследованы на гидродинамических моделях* Использовались различные прегради с дренажными отверстиями днамгтром 0,2 им и ьагом 1,5*2,5 ш, датчик полного напора для измерения с.:орстег: в свободной струе* поверхностная трубка для измерения профиля скорсти в пограничном слое (ПС).

_ Течение на преграде принято подразделять на градиентную (V- переходную^» 1*1) и автомодельную )

области (рис. 4).

В градиентной области задача т'епяообмонв решалаоь «а'оокове интегральных уравнений импульсов и энергии:

р ; а»

где - толщина вытеснения;

** Т0ЛП1Ина потери импульсов;

* 7"* У' ^ - напряжение трения; ' - плотность.

¿ЬЦ*«^ - С16)

где & - - профиль температуры в ПС;

¿и!* - температуры, соответственно теку вея и на внешней граница ПС; • а г - толщина теплового ПС. , При решении использовались опытные данные' гидродинамики:

- изменение осевой скорости в свободной струе

- распределение скорост» на внешней границе ПС

- изменение прфиля скорости в ЛС

?«o+o,s~* А»*; h e

Ае/0Н2 ftpu % » 6 , Л - „ ,

" С-Л-s /у¿п> первый (Jopinape-

метр}. ■',».:

В результате получено уравнение для определения локальной интенсивности теплоотдачи при натекании струи под углом 90° в виде:

а/ , ^д? ЯГ и\п (17)

где"

£ * о +-J - относительная степень турбулентности на внешней границе ПС, ЁЖ■ 0*2»5 в зввиоииооти л j iS « 1,06, fn ш о,86 при Л - Т*Э; <3 • 1,03, /п »0,77 при 4 е 6j F - I - 0,28 ( Ю-5)2.

Сравнение результатов экспериментального измерения интенсивности Теплообмена вдоль преграды и расчета по (17) показало хорошее оовпадение.

Для расчета »С за пределами градиентной облаоти течения -( ? " nojy чено-оледувнве уравнение:

1 >ir

A/u.*o,0STAt; Pf —. (I3)

Определено влияние угле атаки & струи охлаждения кидхости во взаимодействие с геолоотдаюаеа поверхностью в плоокости поворота нвсадка. Измерение гидродинамических параметров течзния показало, что при параболическом профиле скорости на орезе наездка скорость на нулевой линии тока биотр падает о уменьшением угла атаки, а закон изменения относительной скорости на внвЕнеЯ граница ПС различен дл,. ветвей большого и иеньвего расходов. Получены зависимости ее изменения в градиентной области течения. г

.Зкспэрикентальныэ значения интенсивности теплообмена приведены 1 на рио. 5. Ra ветви неныюго расхода при уменьсении угла атаки pao-предедение теплоотдачи существенно деформируется, а именно пик в области перехода к ту рбу лен; ному ПС исчезает, и в интервале углов

У 28*45° интенсивность теплообмена быстро пздает. Изменение коэффициента теплоотдачи на ветви больпего расхода слабо зависит ог / .В окрестности критической точки с уменьшением угла атаки происходит интенсификация теплообмена, вследствие возрастания градиентов скорости «а внешней границе ПС.и турбулентности на ty левой линии тока. В связи е этим выделены три характерные зоны изменения.

Реоение интегральных уравнений (15) к (16) о учетом'о потных данных позволило получить расчетные зависимости коэффициентов теплоотдачи, в градиентной области для ветвей большего и меньваго расходов.

При охлаждении меыслапанних пере мыча, и форсунок в головках цилиндров встречается случаи, когда'кидкость вытекает из цилиндрического насадка в несимметричную тупиков/о полость. Ось насадка перпендикулярна плоской отенке тупике, на когорта происходит резворот струи. Вверх от критичзокод точки и вдоль образувля тупиковой полости возможен свободный поток яидкости. 3 нилней части.полости струя продолказт разворот на криволинейно.! етенке. Этот случай подробно исследован и установлена соотносения размеров, при которых получена интенсификация теплообмена (рис.б). Зона Б (Н > Ó.4GÜ на криволинейно;! сгонке, где oL возрастает приблизительно з 1,4 раза. Зона В ( S < 0,2^) на дне полости, сона А в окрестности критической точхк. Пргуиё^ьсении. размера ú До значения диаметра нзоадха Сйигавтся расхрд кидкости чэрез нкгнвв чвоть тупиковой полооти, и лкгенсйвиость теплообмена. падэзт; на .

. А-я опре-еленчя максимального коэффициента теплоотдачи на кр!волкне?.но.1 стенке получено уравнение:

. Значительная интенсификация 'теплообмене достигается, и при разнесении на преграде элементов веку ост ванной шероховатости » виде малоразмерных цилиндрических выступов. Су четок этого рассмогрна интенсивность теплообмене за одиночным цилиндрическим выотупом высотой "Ь , размещенным на радиуое З'^/Ы* от оои струи. Из анализа расправления статических давления и коэффициентов теплоотдачи установлено три случая взаимодействия отру и о выступом: , -

1) при д < 0,2 наиболее вероятно безотрывное обтекание «нотупа, распределение давлений и коэффициентов теплоотдачи мало отличаетоя от случая гладкой преграды;

2) при си " 0,4*2,5 и - 0*05*1'им', в такке. при 5 - 0,2*0;8 и

Й «1»3 мм: в выступом су чествует область отрыва ПС о'высокими градиентами скоростей, интенсивность теплообмена максимальна л окрестности присоединения ПС и превышает до 2,5- раза уровень #С на гладкой поверхности;

3) при размещении выступа в безградиентноя области течения струи и приГ?- I ни увеличивается аона отрыза ПС и сникеотся коэффициенты теплоотдачи а 2-3 раза по сравнению с гладкой преградой.

На основании предположения об аналогичности, течения в окрестностях присоединения ПС и критичеокоя точки наклонной к поверхности отру и разработан метод расчета распределения коэффициентов теплоотдачи п выступом.

Выполнено иоаледоваяив эффективности размещения на преграде нескольких турбудизаторов. Показано, что интенсификация теплообмена иахоимальна при размещении вблизи критичеохой точки высоких выступов, 8 безградиентной области - низких выступов, при этом радиусы размете-' ння олгдует подбирать таким образом,'чтобы ваг мекду выступами находился в пределах 1,4*2 длин отрывной зоны. Распределение коэффициентов теплоотдачи вдоль преграды с турбулизаторами, параметр которых подобраны в соответствии о разработанными рекомендациями, представлено на рио. 7. . ' •

Проверка применимости, полученных результатов, к охлвкденио деталей ЛВС проводилась на пример головки цилиндра, как одной йа наиболее нагруженных в тепловом отношении. Сложность ее конструкции и неравномерность распределения тепловых потоков, протекавши через ее днивд, делает кела*ельним не только иопытепич не н|турних объектах, но и вирокое математическое моделирование. В связи с этим были реализованы оба подхода - Экспериментальная проверка эффективности

отру Иного охлшсдвиия мекклаланной перемычки головки цилиндра была проведена на быстроходном дизеле 12 ЧЯ 13/14 о индивидуальными Чугунными головками, в расчеты полей температур аыполнена для блочной головки дизеля 3 Ч 11/11,5.

Экспвримвнтально-реочегные исследования подтвердили выооцуо эффективность струйного охлаждения и достоюриооть предлагаемых раочетных формул.

Глава 4 посвявдна исследованию закономерностей локальной тёплг-отдачи и гидр динамики в коротких сверленых каналах охлаждения деталей ЛВС, разработке на этой оонове методов раочета теплообмена и способов интенсивного локального охлаждения. ' .}

Приводится описание экспериментальной уотановхи, методики провес Дения опытов и обработки рзультатов. Установка представляет ообсй замкнутый гидравлический контур оо сменными рабочими участками, модели руюсзши короткий сверленый канал и прцеосы протекание в нем.

Установлено, что харктвр течения в нвчальнон участке канала в оильной степени зависят от условий входа..Исследованы два характерных входных участка: угловой и осевой.

На рис. 0 показано характерное изменение статического давления по длине верхней стенки канала с угловым входом при нескольких значениях скорости. Наибольшее значение статического давления наблюдается в точке разворта потока (критическая точка струи) и затем присходит рзкое падение давления (градиентная зона течения). Минимальное значение давления имеет место -ри 5 » » 1,5, в далее проиоходит переход от градиентного течения к безгрдиентному. При значениях ^ > 3 падение давления обусловлено гидравлическим сопротивлением трния потока о отёнки. На нижней стенке статическое давление при ^>2 практически такое же, как.на верхней. При 2 на нижней стенке происходит резкое падение давления вплоть до отрицательных значения по сравнении о давлением на выходе из канала, . что свидетельствует о наличии отрыва потока за повортом. -

Для канала с осевым входом течение симметрично относительно стенок, причем при Зс < 2 имеет место отриэ потока за острй входной кромкой.

Наличке зон от^ва потока с обртными течениями на начальных участках с осевым входом и не ни «ней. стенке у углового входа подтверждено и опытшш по измерении поперчиых профилей скорстей при разной удалении от входа. Исходя из полученной картины течения ноот> утверждать, что в зоне Х< 2,5*3,0 интенсивность теплоотдачи на. зпескей и внутренней ;сгенкэх канала с угловым лхояом будет .

различной, а г зоне обратного течения обоих типов входных участков должен иметь место явно выраженный.макоимум. ; ,

Последнее подтверждено результатами опытов по .конвективной теплоотдаче (рис. 9). Независимо от величины диаметра канала а обоих случаях по мере удаления от входа Сг^З )-отмечается падение теплоотдачи по длине. Интенсивность теплоотдачи в »»нале о угловым входом выше во воех точках по длине. В то же врмя при £<3 на никнул образующей стенки углового Евнала на обоих отенка* осевого канала наблюдается уху доение теплоотд8чи^*&очс8язано о наличием'отрыва потока и рециркуляционного течения.

Для расчета локальной конвективной теплоотдачи за пределами ' зоны отрыве 'потока «Лилового "Й с'оевого входных УчЖта'лодчот)?' оледующие' Ьыракеиия: -

/ <20Г'

/И*«, Г /,углЛтт (21)

где т ш 0,53 С*)0'165 •

Зависимости (20) и (21) действительны для турбулентного течения ' воды, "Госола АЗД" и масла.'

Подучены зависимости для теплоотдачи в уаоло при ламинарном течении (Яе<2100): '

А^ш^АгЛ^&с)^ (22)

*<2э>;

где П »

Опытные данн^гсвидетельствует об'^ченГ'иизком уровне"интеноиа^" но от и теплоотдачи в масло,' в 8-10 раз даньшем,*чем^ддя воды при одинаково» производительности насосаЧобъемноы раоходе). / ^

Для* зоны рециркуляционного течения ^ 4. _( (ДГ*^^*

можно! рекомендовать следующую зависимость ля расчета интенсивности теплоотдачи:' . ^

В Зависимости от'сочетави!Грекимнн* йврвмётроа'реэличев • хврекге ^ измеяения 'интенойвйости телдоотЗачи по длине 'кпяалв. Те»1 при темени« «идкости в состоянии'близком к йасы^йнио'в 4ависимооти от 'о5оро<3тй,|и тегао'юй'н^руакй мо»«» иметь' меЛо^ибЬ'^к'огагг'ив- . на» тепдбббмен с Х8^е^в^н&*расйредел(»нивм интенсивности теплоотдачи по Длине-(кривые Т.ЙУ^ри^ЛО. либо ^вЛлообман при^нвличиифазово-

Тб

' 'го'пв|?ёхода (кривые 5,6). в последнем свидетельствует изменение характера распределения интенсивности теплоотдачи по длине. Так в конце канала ее значения становятся гораздо выше, чем на входе. Такое распределение объясняется влиянием недогрева потока жидкости до температуры насыщения ¿¿я, которое можно учесть критерием фазового превращения ^^с^Л ' С учетом влияния недогрева построена завиои-мооть (линии 4,5,6 рис.10). Видно, что пр1 нали-

чии парообразования гидродинамическая обстановка в канале, Связанная с условиями входа, не оказывает влияния на распределение теплоотдачи по длине. Раочет теплообмена в атом режиме рекомендуетоя -производить по методике изложенной в главе 2. При одновременном существовании в канале двух режимов теплоотдачи (кривые 3,4 рио. II) определена граница режимов ( Х& - длина зоны о конвективным теплообменом): .

Лл *С-% Ле ' л ^ (25)

где Л' - критерия Пекле при кипении; . <урл - 1.807.106? С00 - 5.06.105.

Проверена эффективность использования ту рбулизиру ощих элементов.в кенакз: макронеровностей з виде ступенек на поверхности, проволочной и ленточной вставок, )*сг рновлено, щс интенсивное!1!-теплоотдачи на выходе из ступенчатого канала может превышать теплоотдачу на входе в 2-,5-3 раза. В случае чспользовзнвя проволочной и ленточной вотавок местная теплоотдача практически постоянна по длине начиная о расстояния л., 3 имоаег быть рассчитана по следующим выражениям: • -

для проволочной спирали: /»V • «V« ^ ^ (26)

для ленточной вставки: //и а Я* .гг (27)

Выполнено сравнение энергетической эффективности.вотавох.

Для проверки правильности задания граничных условий по предлагаемым зависимостям и эффективности канального охлаждения межклапан' ной перемычки головки цилиндра проверен сравнительный расчет но-акспериментальный аййлиз теплового состояния дчух вариантов конструкции головки ( о канслом.и без него) дизеля 84 11/11,5 (ЗИЛ-б'б). Расчет температур производился методом конечных элементов в трех-ме'ркоЯ постановке' на ЗШ ЕС-1022.и ЕС-1061 ^ 'Экспериментальное исследование проведано на моторном стенде, оборудованном в соответствии с требованиями ГОСТ ШЧб-б!.

Анализ темперагурныхполеЯ головок позволил'уотвновить.чго Ийксималытя температура головки о охлакдавцимквналом в меяклапанной перемачКе находитоя в пределах 350-360 °С. Макоинальная температура головки базового варианта (без канала) достигает 390 0С, что едя чугуна близко к предельной. "Отличие расчетныхданныхот эксперимент ель-, иых находитоя в пределах допустимой погрешности, что свидетельствует о достоверности используемых граничных условий.

_В_главе_5_ описывается разработанный комплекс лабораторных установок по. определенно основных свойств охлакдавдих жидкостей для ЛВС.

Главная установка комплекса имитирует основные процессы, происходящие в оистеме охлаждения двигателя, и предназначена для исследования изменения свойств жидкости в процеосе его работы« Установка ооо-тоит из термостата о погруженной в него батареей металлических диохов, кавитационной камеры,_двух камер о нагревателями и двух емхо ей для проб. Диски изготавливает оя из тех кв материалов, что идет ал и системы охлаждения. Количество диоков из каждого металла выбирается про-порциональо пло-^ади этих металлов в системе охлаждения двигателя. Нагреватели изготавливается: один из материала гильзы, другой из материала голов:*.п цилиндров. Продолжительность испытаний предварительно устанавливается 900 ч и по мере необходимости корректируется в зависимости от изменения свойств жидкооти. которые исследуется через каждые 300 ч. При атои определяется тепловая эффективность жидкости И ее склонность образовывать отлоаения, для чего измеряется термическое сопротивление соответственно теплового слоя емкости и слоя отложений в камерах с нагревателями. . . .

Остальные свойства жидкости вссле^уэтся не других установках • комплекса, где использу-ся содержимое емкостей для проб (они отклц-чаютоя от главной установки по очереди чэрез каждые 300 ч).

Скорость коррозии металлов определяется с поиоаьз поляризационных кривых, онятьх потенцкостатичэски!' способом с пр^дварэтельной анодкоя пассивацией. Учитывая .констру ктивные особенности системы охлаждения двигетеля, рассчитыввэтсд скорости контактной коурозп::.

Антикав'.ггационные свойства жидкое? ' оцешвэчтсд по. скорости . кавитационной коррозии, которую определяет такке по полярязецпокн^к кривым, снятым на образце, закрепленном на хонцй ывгнитострнкцно^но-го вибратора. ■ * ; • _ :

. -Стойкость резины-к воздействие иидкйх ере! проверяется на уст е-новке для испытаний при постоянном рас~яг,.«В2п£?!1 капрякек.;: « и о4;нк-'.'; ваат г.о скорости ух'М'о'ллл образца.- ' - ■ :

Для определения аспениваемостя охлаждавчэи жидкости использует-оя метод продувания воздуха через л робу, Вспениваемость оцзнивают по двум показателям; объему пены, образовавшейся за определенное гремя и времени исчезновения пены после прекрачэния подачи воздуха.

. На разработанном комплексе установок были проведены сравнительные исследования охлаждавших жидкостей, ¿вторые предлагается к использовании в,двигателях. Результаты этих испытаний показали, что предлагаемый комплеко лабораторных установок позволяет производить оценку пригодности к использовании в двигателе той или иной жидкости без специальных моторных испытаний. Комплеко внедрен в производственном объединений "Звезда", Он можэт найти применение и для контроля овойств охлаждающих жидкостей в процессе производства и оксплуатации.

• В главе_ б рассматриваются конкретные пути улучшения теплового состояния охлаждаемых .деталей ЛВС, основанные на принципе Локальности. '•

Так в наиболее теплонапряяенной зоне головки (для многих автомобильных дизелей это центральная чзоть лнивд) дальнейшая иотеноифи-кация теплоотдачи моге.т быть осуществлена за счет перехода в рекии развитого пузирьхового кипения, при этом пак показывает расчет интенсивность охлаагенил а рассматриваемо"! зоне может возрасти в 3—4 раза. Конструктивно это можно осу ¿я стоить,- есл.1 затруднить циркуляции воды в центральной части головки с помокыз кольцевой перегородки не гамыкавцайоя'о верхней.полкой..Для проверки эффективности предлагаемой конструкции'головки были проведена сравнительные испытания на дизеле ЗИЛ-бЩ, которые подтвердили локальное оникениэ температур огневого днища головки о "камерой кипения"'.*

Гораздо больший эффект можно получить используя струпное охлаждение. На рис. II (а.о. 1188345) показан вариант такого охлаждения при использовании двух илинеокольких перпендикулярных к преграда струй'о пагом между осями £ . Благодаря тому, что расстояние между ооями отверстий составляет 2-3 диаметра последних, а расстояние от наружного торца отверстий до охлаждаемой поверхности 0,3-1,6 диаыет--1 отверстия район соударения пристенных отруй приходится на переходную область, при этом обеспечивается заметная интенсификация теплообмена как я районе м»жду отверстиями, так и в критичеоких точках,, то есть на всей поверхности действия отруй. '

В том олучае, если конструктивно не представляется возможным размэотить специальные патрубки для подвода отруй нормально х поверхности охлаждения можно предложить иное решение рио. 12

(«.о. 1657707), когда охлакДаовшя жидкость, поступавшая из рубаюки цилиндре s головку через отвэротке I, опомощьо оппозигно исоосно установленных наоадков 7, оси которых параллельны теплоотдаовдя поверхности, форыируетоя во встречные CTjyn. Последние при соударении образуют струи, перпендикулярную х охлаждаемой поверхности.

Изложенные выше методы основаны на интенсификации локального теплообмена,, между тек имеетоя eue один резерв для воздействия на тепловое состояние головки-варьированиа тепловым сопротивлением огневого дниаа за очет изменения толщины последнего. В принципе возможно изменять эту толщину таким образом; чтобы температура огиовой поверхности t, « менялась по определенному закону. Задаваясь той или иной элерон тепловых потохов и законом изменения по радиусу температуры t, , можно раоочитать, как должна изменяться толщина огневого днища. На рио. 13 представлены результаты а кого расчета для дизелей ЯМЗ без наддува, при котором принято А * 46,5 Зт/м °С, т£/-.300 °С и " ЮО °С. т.е. Ç00 °С »

Водно, что уголэдние дниза при реализации даке столь жесткого уоло-вия находгсгся в пределах выполнимого.

В головках высокогорсировзнных двирателей при высоких тепловых нагрузках, Чтобы ^достигнуть суцеотиенного эффект а, необходимо уже: , " одновременно воздействовать на оба парме'тра, определяющих о бдев термическое сопротивление.

В этом случае охлаждение наиболее теплонапрякенных нэст го'ловки чаче всего мекклапанных перемычек целесообразно осуществлять о по. иощья оБсрленых каналов. При этой для повшсения эффективности охлак-' дения н упрощения изготовления канал охлаждения необходимо выполнять в виде последовательна располоаенных сверления о обшоя осью, диаметр которых убывает'в направлении движения охлакдаозэЯ кидхосги, а граница между "наибольшим диаметром и победуюэдм располоеенэ на расстоянии не'более О.з'рвдиуов цилиндра и не «еиее 1,5-2 Л'еиггрв наименьшего сверления от оси цилиндра рко. Й (e.c. I36S859). ,

Если необходимо интенсивно охламать межклапаннуч перемычку ОШ) и форсунф .'одновременно, сверле: 'Ч канал выполняет тек, чгобн он проходил определенным образом черва КИП и.стенцу, разделяемо гнездо для установки форсунки и выпуски о?! канал (а.с. 1Э53912). Интенсифицировать теплообие^ в районе форсунки нокно там.:? за счет подачи струи в тупиковуо полость б, ваполненгув перед- форсункой : ' рис. 15 Са.о. IW4!5<i6)."ncN?M ràfCx'ia ••.этоз полостс H ' .tjT ■•

образу одей сззряеного капала ^боетзвг.яэг '1,1-0,? его. . "..с

Длина "¿г полости б от торца канала 4 до противоположной отвнки составляет 0,3+1,0 диаметра, Радиуо ск^гления Я не превышает 0,3 диаметра канала.

разработанные методы локального охлаждения позволяют обеопечить нормальное тепловое состояние головки форсированного двигателя. Это в obod очередь расширяет возможности конструкции при гарантированной-надежности. Так, например, наличие отмеченных преимуществ головок со сверлеными каналами позволяет более рационально организовать потоки охлаждающей жидкости. В чаотности появляется возможность направить основной поток жидкости не поперек головки, а вдоль. Вследствие такого изменения можно уменьпить массу головки за счет йсклпчения из конструкции продольного водосборного канала, как это имело место у птгатной головки дизеля 84 11/11,5 (ЗИЛ-б^б).

Реализация для дизеля'ЗЙЛ-б^5 конструкции головки со ступенчатым оверленым каналом и без водосборного позволила уменьшить ее массу в среднем на 2 кг.

Для гильз Цилиндров термические напряжения редко бывают лимити-руивдни. В большинстве случаев па рво степс иное значение имеют температуры рабочей поверхности, от уровн;; и характера распределения которых зввииит состояние слоя смазки и работоспособность поршня и поршневых колец.

Именно о атих позиций i: целесообразно оценивать оЭДокгизнозть системы охлаждения гильзы.

Для выяснения рэалышх возможностей улучшения теплового состояния поршня за очет соиэрЕенотвовэния охлаждения гильзы проведена исследования но-дизеле 8ЧН 11/11,5, в процессе которых экспериментально были получены температурные поля пороня и гильзы при различных вариантах охлаждения последней. В результате установлено, что, во-первых, не температурное состояние поршня заметное влияние оказывает средняя температура гепловоспринимающвй поверхности гильзы, во-вторых, рационально организованное движение теплонооителя у поверхности верхнего наиболее теплонапрякенного пояса гильзы цилиндра, обеспечивая хоропув теплоотдачу, позволяет снизить температуры гильзы как в указанной области, так и средне» по поверхности, что заметно улучгает тепловое состояние пориня.

С учетом этого может быть рекомендована следующая оиотема охлаждения гильзы рио.16 (в.оЛ63б206). Полость охлаждения гильзы 2 ,о помоОью двух разделительных буртов б и 7 в блоке I разбивается на 3 каперы. Подвод охлаадвювдп жидкости осуществляется через отверстие 8 в среднюю камеру 5 полости охлаждения»-Из' камеры 5 жидкость через кольцовые каналы 9 и 10, образованные наружной поверхностью гильзы и боковыми поверхностями разделительных буртов б и 7, поот}пает в : нижнюю тупиковую часть II и в Верхнюю проточную камеру. 12. Пооколья-у в нижней части гильзы не требуетоя интенсивного теплосъема в камере 7 реализуется термосифонное охлаждение. Что касается вархнеЯ части, то здесь наоборот обеспечкваетоя интенсивное охла^енге. Причем благодаря перенесению центрирующего пояса, располокенного чаще всего пс опорным буртом 4 гильзы, па боковую поверхность 3 этого бурта, образуется ялльцеввя полость 13 между гильзой и блоком в с 'Ой верхней части и, тем самым, обеспечиваетоя 'циркуляция жидкости вдоль гильзы до опорного бурга. Во избежание образования паровых пробок в полости 13 в блоке предусмотрен по меньшей мере один соединительный канал 16 о отводнцм каналом 15, обеспечивающие постоянную циркуляцию .квджооти. . . *

Эффективность такой системы проверена на модернизированной варианте двигателя 84 11/11,5 (3'/Л-645), у которого в поршне верхнё! компресоионное кольцо расположено на расстоянии 8 мм,(у серийного поршня - 17ммУ от торца головки. Отмечено снижение температур пориня как в рейоне кромки хемеры, так и зоны кохац в среднем но 12-14 °С.

Разработанная система рекомендована для внедрения не толькд на' дизедо ЗИЛ-645, но и перспективных дизелях 31!Л.

Вместе о тем давно известен и тароко применяется, напртер, в двигателях о воздушным охлаждением способ интенонфикецг.и теплосъе ма путем развития,площади охяакдземоЧ поверхности. 3 то ге время отмечается малочисленнооть исследований по сниеонню температур гиль и порпней путем оребренил гильз при кидкостном охлакдекии.

Исходя из теоретических предпосг-ок сформулированы обвде принципы оребрения гиДьз, которые проверены экспериментально нз двагаге ле. В целом П]И жидкостном охлаждении применение ореорения наружной поверхности гильзы о одновременным; уменьшением тер::1чаского оопртивления ее стенки позволяет 'уменыпкгь температуры;порвня на

12-15 '°С. Причем эффективность оребрения гильзы может бить вике при рациональных геонетричеоких параметрах ребер и оптимальном их расположении по отношению к направлению потока охлаждающей кидкооти. ; ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.'

1. Разработана математичеокая модель теплообмена при поверхностной кипении. Расчеты по разработанной модели хорош согласуются о

; опытными данными.

2. Выполнены теоретические и экспериментальные иоодедования локального теплообмена при отруяном охлаждении теп'лонапряжбнних деталей ДВО,

, в результате чего установлено:

- максимальные значения коэффициентов теплоотдачи «£' при взаимо' действии струи о теплоотдающей поверхность» под углом 90° имеют

ыеото а окрестности критичеокой_ точки при удаление насадка диаметром на расстояние Ь* ^/Ы^ б и в области переходе к турбулентному пограчичному слрв при для этого олучая по-

лучена зависимости для определения ¿С по радиусу прегради о учотом Р и Ъ ;

' '- при взаимодействии струи с поверхностью под углом 90°

интеноивьость теплообмена в окрестности критичеокой точки возрастает в а*1,5 раза в зависимости о™ значений $ и И , что ■ учитываете.-: в рекомендуемых расчетных выражениях;

- имеет место' существенна;» интенсификация теплообмена в аупьковоп полости на криволинейной стенхе при Ну и на дне полооти при Н ^О.г^о ;'

- размещение, ту рбулизато ров эффективно в градиентной и переходной ; .областях течения струи; ,

интенсивность теплообмена за выступом раоочитываетоя по предложенной модели теплообмена в наклонной импактной струе.

3. Экопэриментально-расчегныни методами доказана высокая эффективность струйного охЛаадэния геплонапрякенных зон деталей двигателя.

4. Изучены закономерности течения и теплоо^ена в коротких'овврдэних -каналах в условиях системы охлаждения двигателя.

Получены "завиоимооти для йрогнозь^ования локальный граничных ' условии в коротких сверленых каналах при. использовании поолодних уля жидкостного охлаждения деталей двигателей как о умеренной, так и о повышенной форсировкой по модности. 6. Испытания дизелей, у которых теплооъем в наиболее теплонапряжен-ных зонах деталей ооуиеотвляетоя о пом о щьо коротких сверленых каналов,, подтвердили выоокуо эффективность такого опоооба охлаждения, ■■"

7. Проведение "исследований локального теплообмене в условиях, характерных для жидкостных систем охлаждения, в том чиоЛе и непосредственно на двигателях, потребовало ооздания методик и

, средств, их обеспечивающих, в именно:

- разработаны и внедрены (ЗИЛ,'ЗМЗ, 'ЯПИ и др.) методики препарирования образцов и деталей двигателей терюдатчиками и проведения теплотехнических испытаний сцелыо получения подробной инфор»ации о процессах теплоперенооа, явЛяющейод ооновой для оптимизации охлаждения.дет алей;

- разработаны'И внедрены (ЗИЛ, ЯИЗ, ПО "Звезда", ЯПИ) оригиналь-, ные безмоторные установки и методики работы на установках,

позволяющие надежно моделировать и Доследовать процессы локального теплообмена в условиях, характерных Для кидкоотных систем охлаждения двигателей..

8. Предложены пути улучшения температурного ооотояния деталей, оонованные на принципе локального охлаждения, разработаны оригинальные конструктивные решения, зеиизднные авторскими свидетельствами (A.C. 566001, b.c. I2ISI60), (A.C. II88345, а.о.

а.с. 10ад19б, а.с. 1657707,' в.о. 1437542, а.о. 14603а0, а.с. 1359459, а.о. 1666796, положительное рвение по заявке № 4929586/06), многие из которых реализованы на прктике.

9. Разработан комплеко лабораторных установок по опрделению основных свойств охлакдаюаих жидкоотей, позволяющей опертивно исключать непригодные образцы теплоносителей, выявлять до првеДения эксплуатационных испытаний те качества теплоносителя, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на работоспособность оистемы охлакдени" и двигателя в целом. Разрботанный комплеко установок может быть, также рекомендован для контрля качества охлаждающих жидкостей в прцеосе призводотва и эксплуатации. Комплекс внедрен на ПО "Звезда", где позволил заменить моторные испытания на лабораторные и получить экономический эффокт 170 тыс.рублеЧ в год.

10. Разрасотана и применена на двигат ле ЗИЛ-645 автомобиля ЗИ.1-4331 оригинальная система охлаждения гильз (A.C. I6S6206) и головок (A.C. I3539I2, а.о. 1352859) без водосборного конела, позволяглая повысить мотореоурс и н^.енность двигателя при одновтоуекном снижении материалоемкости и массы. Экономический э;4"?кт при выпуске 70000 от. автомобилей в год соотввл,ist .2310000 доб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следуювдх

работах:

1. Еидкоотное охлаждение автомобильных двигателей / А.М.Кригвр, М.д.Дискин, АЛ.Новенников, ВЛ.Пикус. - М.: Машиностгоение, 1985. - 176 о.

2. Новенников А.Л. К вопросу выбора ремима работы системы охлакдения гильзы цилиндра поршневого двигателя // Двигатели внутреннего сгорания: Меквуз. сб. научн. тр. - Ярославль, 1973. - С.79-84.

3. Исследование основных закономерностей теплоотдачи в полооти охлакдения головки цилиндра ) А.Л,Новенников, Е.С.Огефановокий, В.М.Пихус и др. }) Лвигзтели внутреннего сгорания: Меквуз. об. научн. тр. - Ярославль, 1975. - С.22-26.

Ц, СгефановскиР. Е.С., Новенников АЛ., Ликуо ЪЛ'. О поэдаении работоспособности головок цилиняров быстроходных дизелей о нергэде-ленными камерами сгогзнид // Автомобильная промышленность. -1976. - » Э. - C.9-II.

5. Тепло'элансовае характеристики к температурит? состояние дизеля с наддувом при охлаждении водой и антифризом / В.С.Афанаоьев,

• Н.П.Смнрно-j, А Л.Ловэншков и иг. // /вигателестроенио. - 1981. -К 9. - С.10-1I.

6. Повышение н-чекнос;и чугунных голоэок дизелз'; с камера).и сгорания

_ типа "Дейтц" / АЛ.Новеш:::ков, В.!'.Пикус, А.Л.Мухарский >i

//Двигатели внутреннего сгорания: Мекэуз.сб.маучн.тр. -Ярославль, I9BI. - С.94-98.'

. 7. Новенников АЛ., .Пикуо З.И., Ивнвв А.А, Усовершенствованная система охлакдения головок дизеля // Автомобильная промышленность. - 1987. - » II. - С.15-16.

8. Дискин И.Е., Новенников АЛ. Сиогема охлаждения дизеля ЗИЛ-645 // Автомобильная промышленность. - 1983. - № 3. - С.2-3.

9. Еогачук В.Н., Новенников АЛ., Юдаев Б.Н. Взаимодействие осеоим-метрнчной струи капельной жидкости с преградой в условиях сиотем охлаждения J3С )} Промышленная теплотехника. - 1989. - II, № 2. -С .73-77.

10. Еогачук В.Н., Юдаев Б.Н., Новенников АЛ. Интенсификация теплообмена отруи с пре^радоп за одиночным выступом )) Промышенная теплотехника. - 1989. - II, 8 3. - С.26-29.

11, Новенников А Л., Ивнев А.А. Исследование гидродинамики и теплообмена в каналах охлаждения головок цилиндров дизелей // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1989. - » II, - С.7Э-78.

12. Новенников А.Л., Ивнев A.A. Теплообмен в коротких сверленых каналах охлаждения головок цилиндрол дизелей при поверхноотном кипении // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1990. - fö 4. -С.84-89.

13. Лаврентьев З.Н., Новенников АЛ. Комплекс для оценки охлаждающих жидкостей // Автомобильная промывиенность. - 1990. - № I. -

С.25.

14. Улучшение теплового состояния поршня путем ооворсенотвовэния охлаждения гильза цилиндра / А.Л.Новенников, С.З.Елисеев,

B.Н.Еогачук и др. )} Двигателестроение.- 1990. - » 5. - С.З-б.

15. Новенников А.Л., Богачук В.Н. Гидродинамика и теплообмен при истечении ооесимметр1чной струи в тупиковуо полость охлаждения головки цилиндре дизеля // Известия ВУЗов. Насиностроение. -1991. - » 10. - С.7Э-77.

16. A.C. 1040196 (СССР). Устройство для жидкостного охла-дения гильзы цилиндра двигетеля внутреннего сгоранил / И.Е.Диокин, А.В.Каров, А.Л.Новенников и др. )) Открытия. Изобретения.

- 1983. - Ъ 33. -.C.I45.

17. A.C. I2I8I60 (СССР). Способ охлаждения двигателя внутреннего огорвния / М.Е.Диокин, А.Л.Новетпгхов }} Открытия. Изобретения.

- ms. - » ю. - с. 188.

18. A.C. I359I2 (СССР)- Головка цилиндра дизеля t М.Е.Диокин, А.А.Мухарокий, А.Л.Яованников и др. // Открытил. Изобретения...

- 1987. - ^ 43. - С.120.

19. A.C. 1362859 (СССР). Головка цилиндров двигателя внутреннего огорания / А.А.Ивнев, А.Л.Новенников. В.Н.Еогачук и др. ' .

7/Ьткрытия. Изобретения. - 1987. - I 48. - С.99.

20. A.C. 1437542 (СССГ). Головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания / З.Н.Еогвчук, А.Х.Новенн' Коэ, Ь.Н.Сдзэв )) Открыли. Изобретения.,.- 1983. - № 42. - С.139. '

21. A.C. 1636206 (СССР). Сиотека жидкостного ох.'.акг.енгл г.'.льзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания ) АЛ.Ковэнникоз,

C.В.Елисеев, З.Н.Еогачук и др. // Открытия. Vft обретения.,.- 1591.

- Р 39. - С.139. .

£ 3 Ц S 6 7 &9 /О Йе /О'3

P«o. 2. Критериальная зависимость для Teniooiiaia от ги-.ьза цилиндра х кидкоети в режиме конвекции ijo j-езу и*этан: * - моторные испытания; 4 - испытания не ио tie ли

3,9

-П г'

so во 70 во яо m f to. Щм»

Рис. 3. Влияние теплового потока на интенсивность теплоотдачи от гильзы цилиндре при недогреве:

о - I3°C; A -&t*r IS °С; 29 °G;

Ak0 .800

воо Ado 200

—w~ iqi

/ А íffi iv /«' л* rfi f йл \j

7¿ \

d¡>* /0,ьмм яео.№о00

f/tí

ч

Ц

11 ■»в.

h i v

ч. / dp'ia^mH le0'<ssvQO

hit 3 2 h

' Рий. 5. ^вбпреноле'ние интенсивности таплообыена моль г'йрвграды при нзтркании наклонной стгуи: • -« f~ 28° ; »-в 13°; 63°; • 90°;

«.-.-- расчет.

20 W

0 Ю 20 t2j

мм

(Pho¡ 6» Теплообмен оо стендами тупиковой полости.

- --------------- и -

f 40 (5 1,0 0,5 0 î f

Рио. 7.. Локальный Теплообмен не пре'грде'о т> р<4улиэёторами.

р,кПа

0 2 Ч 6 6 10 Н

г . ----' - . i « .

Tac. ?»елpeЖелание ст этичвохвРО

по ."jv.:ne верхней ставки Канала о у-главии зходом I - 4t • ООП; г -Л* » 53Ю0; 3. - Яс П 71П00; 4 - «« » 60500; 5 - Ас 2 «ООО? б - д.« - ¿7000.

О 2 4 б ¿ Ю i2

'Pite. 9. Fás;ipd4sленив .ийгрн-ои&иосТи твплввт'двми яй длине * канала э реаиме вынужденной гон лекции.

2 k б 8 Ю 12 х

Рис.( 10.' 'Ihtsнеквноегь теплоотдачи .•'в реяим» поверхностного кичеиия. (аохэ, 9 * 313 2В7/Н-; ¿>.= 99 °С; Р •= 1,2 Бар; 1-6- Яе * 128000-

Рис. ;ц. Струйное охлаждение межклапанноЯ перемычки

головки .

"рио.ТЗ • Охлаждение головки цилиндра с по^оцьо оппоаитно

I* < • »

и ооосно установленных насадков.

м* 5 А О 2

_

■¿«300 °С

0 0 2 0 ¿0 4 »0

.160

£

30 . иго

4П

' Рис. ^ Результаты оценки характеристик огневого ' дни«а переменной толщины .