автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Интенсификация масляного охлаждения поршней быстроходных двигателей

На правах рукописи УДК 621.432.4

005009848

Михайлов Юрий Владимирович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ МАСЛЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПОРШНЕЙ БЫСТРОХОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 'З 2ь'\2

Москва — 2012

005009848

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана ' ,

Научный руководитель: , кандидат технических наук, доцент >, Мягков Леонид Львович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

........ Петриченко Михаил Романович

. кандидат технических наук

, . Панин Валерий Иванович

Ведущая организация: ОАО «Автодизель» (Ярославский моторный завод)

Защита диссертации состоится « ■/ » марта 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДОП.141.09 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана по адресу: 105005, Москва, Рубцовская наб., д. 2/18, Учебно-лабораторный корпус, ауд. 947.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, учёному секретарю диссертационного совета Д212.141.09. :

Автореферат разослан « И » Я//&, 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Постоянный рост удельной мощности двигателей приводит к повышению тепловых и механических нагрузок на его детали. Поршень воспринимает существенную часть теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, и, следовательно, является одной из самых теплонагруженных деталей. Превышение допустимых значений рабочих температур может привести к выходу из строя как поршня, так и ряда сопряженных с ним деталей.

Для безотказной работы двигателя в течение заданного ресурса необходимо ограничивать температуру поршней, что обеспечивается при помощи принудительного масляного охлаждения. Струйный метод охлаждения, при котором струя масла, подаваемая из закрепленной в картере форсунки, омывает внутреннюю поверхность поршня, получил широкое распространение, что объясняется его эффективностью и конструктивной простотой.

Цель работы: Разработка методики расчёта струйного охлаждения поршней ДВС, позволяющей прогнозировать их температурные поля и определять конструктивные параметры системы охлаждения поршня.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Разработка математической модели для расчета струйного охлаждения поршня и ее верификация с использованием имеющихся экспериментальных данных;

2. Анализ физических явлений при взаимодействии струи масла с внутренней поверхностью поршня, при его возвратно-поступательном движении;

3. Проведение численного исследования струйного охлаждения реальной конструкции поршня быстроходного двигателя.

Научная новизна:

Разработана методика численного моделирования струйного охлаждения поршней в трехмерной нестационарной постановке с возможностью учета сопряженного теплообмена между охлаждающим маслом и внутренней поверхностью поршня, позволяющая получить температурные поля поршней в широком диапазоне режимов работы двигателя и учесть влияние различных конструктивных параметров.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется:

• использованием фундаментальных законов гидро- и термодинамики, теории тепломассообмена, современных аналитических и численных методов математического моделирования;

• применением достоверных экспериментальных данных по исследованию гидродинамики и теплообмена при струйном охлаждении поршня.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

• разработанная методика численного моделирования струйного охлаждения позволяет прогнозировать температурные поля поршней произвольной конструкции;

• проведен анализ факторов, влияющих на интенсивность теплообмена, и

дана их количественная оценка; . ,

• проведен расчет и определены рациональные конструктивные параметры системы струйного охлаждения поршня быстроходного двигателя, что позволило существенно улучшить теплонапряженное состояние поршня;

• разработанная методика внедрена в производственную практику ООО "Компоненты двигателя" и используется при доводке мотоциклетных двигателей для участия в ледовом спидвее.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

• Первой и Третьей Всероссийской конференциях молодых ученых и специалистов «БУДУЩЕЕ МАШИНОСТРОЕНИЯ РОССИИ», г. Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, в 2008,2010 гг.

• Научно-технической конференции 4-е ЛУКАНИНСКИЕ ЧТЕНИЯ, г. Москва, МАДИ, в 2009 г.

• XVII, XVIII Школах-семинарах молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», в 2009 г.( г.Жуковский, ЦАГИ им.

Н.Е.Жуковского, МФТИ), в 2011 г. (г. Звенигород, РГАТА).

• 14-ой международной конференции по теплообмену (IHTC14), США, г. Вашингтон, в 2010 г.

• Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ5), г. Москва, МЭИ, в 2010 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 6 печатных работах, из них по Перечню ВАК -1.

Объем работы: диссертационная работа содержит 161 страниц основного текста, 83 рисунков, 19 таблиц, состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 109 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность проблемы и предложены пути ее решения, среди которых выделено численное моделирование, как наиболее точный и доступный метод исследования локального теплообмена при масляном охлаждении поршней. Приведена общая характеристика работы.

В первой главе проведён анализ работ, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию теплообмена при использовании принудительного масляного охлаждения поршней, выполненных отечественными и зарубежными исследователями, среди которых: ГинцбургБ.Я., Розенблит Г.Б., Петриченко Р.М., Петриченко М.Р., Чайнов Н.Д., Иващенко H.A., Кондратюк В.В., Костин А.К., Лазарев Е.А., Перлов М.Л., Колмаков В.И., Bush J.E., Evans G.A., Griffiths W.J., Hay N., French C.C, Munro R. и ряд других ученых.

В большинстве рассмотренных работ для расчета масляного охлаждения поршней предлагается использовать критериальные зависимости, полученные при анализе экспериментальных данных, что в общем случае может привести к существенным ошибкам, поскольку применение таких зависимостей зачастую

ограничено условиями, при которых они были получены. Аналитический метод расчета струйного охлаждения описан в работах Петриченко P.M. Позднее при использовании аналогичного подхода в работе Каренькова А.В. была разработана методика расчета параметров теплоотдачи на внутренней поверхности поршня, реализованная в прикладной программе. .............

Тем не менее, гидродинамика и теплообмен между потоком масла и охлаждаемой поверхностью поршня при струйном охлаждении до сих пор остаётся малоизученным явлением, что вызвано нестационарностью и ярковыражен-ной локальностью параметров теплообмена, их зависимостью от режимов работы двигателя, конструкции поршня и форсунки.

Также был проведен обзор работ, посвященных методам расчета характеристик теплообмена при набегании струй жидкости на преграды, который показал, что в большинстве случаев аналитическое решение поставленных задач представляет значительные трудности, например, при учете кривизны поверхности и при взаимодействии струи с поверхностью, перемещающейся вдоль оси струи. Поэтому, многие авторы обращаются либо к экспериментальным исследованиям, либо к численным методам решения.

На основе проведенного анализа работ была поставлена цель диссертационной работы и сформулированы задачи, решение которых необходимо для ее достижения.

Вторая глава посвящена описанию математической модели, используемой для численного моделирования гидродинамики и теплообмена при взаимодействии струи масла с внутренней поверхностью поршня. ‘

Свободная незатопленная струя масла, истекая из сопла, сохраняет цилиндрическую форму и без существенных нарушений сплошности достигает внутреннюю поверхность поршня, а после торможения и поворота потока обтекает её пленкой малой толщины. При этом имеет место двухфазная система с расслоенным газожидкостным потоком или течение жидкости со свободной поверхностью, где жидкая фаза - масло, а газовая фаза - воздух.

Система уравнений математической модели включает в себя законы сохранения массы, импульса и энергии и замыкается уравнениями модели турбулентности.

Принимая поле скоростей U(x,y,z,t) общим для обеих фаз, уравнение неразрывности можно записать: .

^{raPa) + V.(raPaU) = 0, (1)

dt . .

где га и ра- соответственно объемная фракция и плотность фазы для а = 1;2.

Допущение об общем поле скоростей часто используется при решении задач гидродинамики течения жидкости со свободной поверхностью. Это объясняется тем, что при рассматриваемых режимах течения фазы можно считать несмешиваемыми и, соответственно, передача импульса от одной фазы к другой не происходит.

з

Таким образом, уравнение сохранения импульса рассматривается как однофазное при отсутствии межфазового переноса с плотностью и вязкостью, определяемыми для смеси:

|(^) + V-(j0C/<S>t/-//(vi7 + (VC/)r)) = ^M-Ур, (2)

NP JVj,

где р= £ raPa; /i= X гаца; SM - источниковый член; р - давление.

сг=1 а=1 ■

При моделировании теплообмена рассматривается общее температурное поле T(x,y,z,t), тогда как внутренняя энергия еа участвует в переносе тепла и различна для каждой фазы. Количество теплоты Qa, передаваемое от одной фазы к другой, в ходе решения уравнений подбирается таким образом, чтобы уравнять фазовые температуры. Уравнение сохранения тепловой энергии записывается следующим образом:

jt(raPaea) + V • (rapaeaU) = V • (гаЛаТ ) + raTa-VU + Qa, (3)

где Яа - фазовая теплопроводность; та - касательное напряжение.

Уравнение сохранения объема налагает условие на сумму объемных фракций фаз, которая для каждой расчетной ячейки должна равняться единице:

NP

1^=1 • (4)

а=1

Система уравнений (1) - (4) дополняется уравнениями модели турбулентности.

Турбулентность значительно влияет на характеристики теплообмена при струйном охлаждении, поэтому для решения данной задачи выбрана модель турбулентности Ментера (Shear Stress Transport - SST), которая, согласно имеющимся литературным данным, описывает рассматриваемые явления с достаточной точностью.

Уравнения модели турбулентности:

+ V-(pUk) = Pk-ß* pcoUk + V- (TkVk)

+V • (pUco) = Lpk-ßpai+V. (Г fflV со) + (1 -Fx )2paml-VWa, dt v, о

где Tk =n+-^~, Pk =min(/>t;c,£); Гш = /л~^-.

°* ....... °m

Модель турбулентности Ментера сочетает в себе преимущества моделей к-е и к-со, переключение между которыми осуществляется при помощи стыковой функции Fj. Эта функция равна нулю в пристеночной области, что включает к - со модель Уилкокса, а в остальном потоке F]= 0 и для свободного сдвигового течения активируется модель к-Е. Такой подход позволяет использовать преимущества модели к-со в пристеночной области и избежать

возможных погрешностей, которые связаны с чувствительностью этой модели при расчете свободных потоков.

Сложность расчета данного класса течений состоит в том, что в общем случае форма и положение границы раздела фаз, а также ее изменение во времени не известны заранее, а определяются в процессе решения конкретной задачи. В соответствии с проведенным обзором методов решения подобных задач, одним из наиболее точных подходов для определения границы раздела фаз является разностная схема высокого порядка, реализованная в программном комплексе АШУв СБХ, который используется в данной работе при проведении численных исследований.

Система уравнений (1) - (6) решается при помощи метода контрольных объемов, в результате чего находится распределение граничных условий (ГУ) теплообмена по охлаждаемым поверхностям поршня. Для определения температурное поле поршня решается уравнение теплопроводности (6) при использовании полученных ГУ.

= У-(ЛУГ) (6)

Для уточнения температурного поля поршня рассматривается сопряженная задача теплообмена между масляной пленкой и внутренней поверхностью поршня, для чего совместно решается система уравнений (1) ■ (6), причем условием связи уравнений (3) и (6) является равенство температур и тепловых потоков на поверхностях раздела сред.

Третья глава посвящена верификации математической модели.

Для отладки параметров расчетной модели рассмотрены тестовые задачи:

- задача о взаимодействии струи с преградой, расположенной нормально к оси струи, для которой имеется аналитическое решение;

- моделирование торможения потока масла, впрыскиваемого форсункой под острым углом в открытый канал и сравнение результатов с экспериментальными данными.

Верификация математической модели, описывающей гидродинамику и теплообмен при струйном охлаждении поршня, осуществлялась на основе имеющихся экспериментальных данных, полученных на кафедре "Поршневые двигатели" МГТУ им. Н.Э.Баумана. Данные исследования проводились на модельной установке с прозрачными стенками для скоростной фотосъемки гидродинамики взаимодействия струи масла с перемещающейся поверхностью поршня. Также при помощи термопар были измерены температуры в восьми точках модельного элемента, имитировавшего поршень.

Численное моделирование выполнялось для определенных режимов течения масла по внутренней поверхности поршня, определяемых соотношением частоты вращения коленчатого вала п и величиной расхода масла б через форсунку, которые соответствуют условиям эксперимента.

Из рис. 1 видно, что гидродинамическая картина течения, полученная при численном моделировании, качественно соответствует экспериментальной, полученной при помощи скоростной фотосъемки. Подобные сравнительные

оценки выполнены для нескольких положений коленчатого вала и значений расхода масла.

а) б)

Рис. 1. Гидродинамическая картина течения при УПКВ 180°, расходе масла 54 л/ч и частоте вращения КВ 1000 об/мин: (а) - численное моделирование, (б) -экспериментальный снимок

При анализе результатов нестационарного расчета гидродинамики сделаны следующие наблюдения: при движении поршня от ВМТ к НМТ - от 0° до 160° угла поворота коленчатого вала (УПКВ), вследствие увеличения относительной скорости струи, нарастающий фронт потока масла обтекает внутреннюю поверхность поршня. Далее от 160° до 180° УПКВ заторможенная часть потока, исчерпав запас кинетической энергии, срывается с поверхности под действием силы тяжести. Затем при движении поршня от НМТ к ВМТ относительная скорость струи уменьшается, и под действием сил инерции, вплоть до 270° УПКВ происходит отрыв некоторой части масляной пленки. На охлаждаемой поверхности масло остается только вблизи точки торможения струи. При повороте коленчатого вала от 270° до 360° поршень замедляется, и масло распространяется по поверхности.

Описанная картина течения может меняться в сторону увеличения или уменьшения объема и скорости течения масла по поверхности поршня, в зависимости от соотношения частоты вращения коленчатого вала и расхода масла через форсунку, т.е. наибольшее влияние на характер течения масляной пленки по охлаждаемой поверхности оказывает относительная скорость струи: Уотн(<р) = vn(<p)+Vo, где v„(ер) - скорость поршня, v0 - средняя скорость струи на срезе сопла.

На рис. 2 представлены графики изменения vom„(ip) для различных частот вращения коленчатого вала при фиксированном расходе масла через форсунку, обеспечивающем vo = 8,3 м/с.

Если vomH(<f) > 0, то в течение всего оборота коленчатого вала происходит непрерывное охлаждение поршня маслом. Величина коэффициента теплоотдачи и закон ее изменения зависит от величины и закона изменения относительной скорости струи.

о 40

£зо

а

о

10

о

-10

В некоторой степени на значение коэффициента теплоотдачи влияют геометрические параметры: длина и кривизна внутренней поверхности поршня, что сказывается на характеристиках торможения потока масла. Если Vomн(<p)<iï поршень некоторое время не охлаждается при движении от НМТ к ВМТ. Оценку

при п = 5000 об/мин

2500 об/мин

при п

у„ при о = 60 л/ч

Рис. 2. Относительная скорость струи в зависимости от частоты вращения коленчатого вала

8

о.

продолжительности отсутствия охлаждения поршня можно произвести при помощи графика перемещения поршня и отложенной на нем прямой, соответствующей расстоянию, пройденному струей, как показано на рис. 3.

Струя не взаимодействует с поршнем от точки а/ до точки 6, в случае п = 5ООО об/мин и от точки а2 до точки Ь2 в слу- 2 100 чае п = 2500 об/мин. В данный промежуток времени на поверхности поршня находится некоторое количество масла, удерживаемое силами поверхностного натяжения.

В тоже время при движении поршня от ВМТ к НМТ максимальное значение коэффициента теплоотдачи увеличивается пропорционально увеличению относительной скорости струи (рис. 4).

Таким образом, усредненное по охлаждаемой поверхности значение коэффициента теплоотдачи увеличивается до тех пор, пока эффект от локальной интенсификации в области торможения струи преобладает над снижением теплоотвода, из-за отрыва масляной пленки.

Ч>; УПКВ

Рис. 3. График для определения интервала времени, в течение которого отсутствует охлаждение зависимости от частоты вращения коленчатого вала

6000 5000 4000 3000 2000 1000

О 90 180 270 360 450 УПКВ

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи от угла поворота коленчатого вала

Положение соплового отверстия (вид снизу)

6891,6 5742,9 4594,4 3445,8 2297,2 1148,6 О

Рис. 5. Распределение по охлаждаемой поверхности коэффициента теплоотдачи, усредненного за один оборот коленчатого вала при п = 500 об/мин,

б = 95 л/ч

В результате моделирования теплообмена при струйном охлаждении получены граничные условия по охлаждаемой поверхности поршня. Характерное распределение коэффициента теплоотдачи, усредненного за один оборот коленчатого вала, показано нарис. 5.

Количественное сравнение результатов, полученных при моделировании температурных полей поршня, с экспериментальными данными производилось для двух модельных элементов с различной формой внутренней поверхности, один из которых представлен на рис. 6, на пятнадцати режимах, пример, для п = 500 об/мин, б = 95 л/ч такое сопоставление представлено на рис. 7.

Рис. 6. Модельный элемент

Погрешность расчетов относительно эксперимента не превысила 19%.

Решение задачи теплообмена между поршнем и охлаждающим маслом в сопряженной постановке позволило повысить точность определения температур. Величина полученной поправки для рас-

1

3 4 5 6 7 8

Номер термопары

Рис. 7. Сравнение рассчитанной и измеренной

температуры при п = 500 об/мин; й = 95 л/ч

смотренных задач составила от 2 до 8%.

Таким образом, было получено удовлетворительное совпадение результатов расчетов с экспериментальными данными, что позволило сделать вывод о возможности применения разработанной методики для численного моделирования струйного охлаждения поршней произвольной конструкции.

В четвёртой главе исследуются возможности интенсификации масляного охлаждения поршня высокофорсированного двигателя М\¥А БТ-500 (табл. 1), используемого для участия в соревнованиях по спидвею на трассах с ледяным покрытием.

Таблица 1.

Число цилиндров 1 Максимальная мощность, л.с. -60

Тактность 4 Охлаждение двигателя Воздушное

Диаметр цилиндра И, мм 85 Количество клапанов 2

Ход поршня 5, мм 87 Степень сжатия 16

Максимальная частота вращения коленчатого вала птах, об/мин 9500 Топливо Метанол

Опыт эксплуатации рассматриваемого двигателя показывает, что ресурс неохлаждаемых поршней не превышает 1 ч в условиях гоночного ездового цикла (рис. 8), что объясняется высокой степенью форсирования двигателя и отсутствия принудительного масляного охлаждения. Существующий уровень те-плонапряженности поршня вызывает необратимые изменения формы поршня, что может привести к заклиниванию и выходу из строя. Снижение температур поршня и увеличение его ресурса достигается путем введения струйного охлаждения.

Разработка системы струйного охлаждения, обеспечивающей наилучшую эффективность охлаждения, требует подбора рациональных конструктивных

параметров. Для этого необходимо выполнить ряд расчетов гидродинамики и теплообмена при взаимодействии струи масла с внутренней поверхностью поршня с целью определения граничных условий на охлаждаемых поверхностях, получить ГУ по камере сгорания и боковым поверхностям поршня, что позволит оценить тепловое состояние поршня.

первый круг_________________________второй круг

100 ’’ '

§ 5

н Я Я 2

I 5 Й Я

° >в о к

£

в 3

Н о

О о о си и:

« -г И

я о

<и *

1 §

¡х а ш

” О

2 £ £ о 2 1-н я о

60

40

20

0

9000

8000

7000

6000

5000

4000

3000

I

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

а) Время, с

/ У

£ г / / \ -ь

р

¡3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

* б) Время, с

Рис. 8. Ездовой цикл за первые два круга заезда: а) степень открытия дроссельной заслонки; б) частота вращения коленчатого вала

Эффективность струйного охлаждения поршня определяется, прежде всего, массой и скоростью подачи масла, а также площадью поверхности поршня, обтекаемой маслом, т.е. в качестве мер интенсификации охлаждения рассматривается увеличение расхода масла через форсунку, уменьшение диаметра соплового отверстия, использование двух форсунок и варьирование углом их наклона относительно вертикальной оси поршня.

Таким образом, задача сводится к подбору комбинации следующих параметров: диаметра форсунки с1, угла наклона форсунки /?, количества форсунок Пщ и расхода масла й. Моделирование гидродинамики струй проводилось на режиме, соответствующем наибольшим тепловым нагрузкам на поршень, т.е. при полностью открытой дроссельной заслонке и частоте вращения коленчатого вала п = 9000 об\мин (см. рис. 8).

Определение граничных условий на огневом днище и боковых поверхностях поршня осуществлялось на основе результатов расчетов соответственно в программах Diesel-RK и ICE, разработанных на кафедре «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Для уменьшения количества расчетов и их систематизации при подборе комбинации параметров системы охлаждения использовались методы планирования эксперимента. Для первой серии расчетов составлен двухуровневый полный факторный план (2к) для четырех факторов: d, Д Пщ и G, при этом зависимой переменной являлся коэффициент теплоотдачи, усредненный по охлаждаемой поверхности за один оборот коленчатого вала (табл. 2).

Таблица 2

Планы численного эксперимента 2k/3k и результаты расчетов

№ расчета (план) Диаметр сопла d, мм Угол наклона форсунки Д 0 Количество форсунок пы Расход масла G, л/ч Средний коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К

К2к) 1 7 1 60 522,4

2 (2к) 2 7 1 60 386,4

3 (2к) 1 12 1 60 498,2

4 (2к) 2 12 1 60 460,1

5 (2к/3к) 1 7 2 60 507,9

6 (2к/3к) 2 7 2 60 321,6

7 (2к) 1 12 2 60 551,1

8 (2к) 2 12 2 60 290,2

9 (2к) 1 7 1 200 1454,4

10 (2к) 2 7 1 200 1104

11 (2к) 1 12 1 200 1352,8

12 (2к) 2 12 1 200 990,2

13 (2к/3к) 1 7 2 200 1591,1

14 (2к/3к) 2 7 2 200 1291,3

15 (2к) 1 12 2 200 1503,7

16 (2к) 2 12 2 200 1339,7

17 (Зк) 1 7 2 130 1106,5

18 (Зк) 1,5 7 2 60 393,1

19 (Зк) 1,5 7 2 130 997,9

20 (Зк) 1,5 7 2 200 1378,4

21 (Зк) 2 7 2 130 820,8

Анализ результатов расчетов показал, что наиболее значимыми факторами, в порядке снижения значимости, являются: расход масла, диаметр сопла, а также пара факторов п1п/, й, в связи с чем, далее рассматривались только факторы О и й,а остальные приняты равными: /? = 7°, = 2.

Рис. 9. Взаимодействие струй в НМТ при п = 9000 об/мин

Для уточненного исследования влияния факторов на зависимую переменную проведены дополнительные расчеты, соответствующие трехуровневому полному факторному плану (Зк), который позволяет получить квадратичную регрессионную зависимость функции отклика от факторов.

Результаты проведенных расчетов показали, что коэффициент теплоотдачи линейно растет при уменьшении диаметра соплового отверстия и увеличении расхода масла. Поэтому приняты предельные значения с? = 1 мм, б = 200 л/ч, ограниченные производительностью масляного насоса. Предполагается использование раздельной системы струйного охлаждения с масляным насосом, имеющим электропривод, который позволяет обеспечить суммарный расход через масляные форсунки 200 л/ч при выбранном диаметре сопловых отверстий.

На рис. 9 показана гидродинамическая картина течения при взаимодействии двух струй масла с охлаждаемой поверхностью поршня и между собой при положении поршня в НМТ. В области столкновения потоков, порождаемых струями, происходит турбулизация течения, что способствует интенсификации теплообмена.

Соответствующее этому случаю локальное распределение коэффициента теплоотдачи, усредненное за оборот коленчатого вала, представлено на рис. 10. рис ]0^ Локальное распределение ко-

асчет температурного эффициента теплоотдачи по внутренней по-поля поршня выполнялся в верхности поршня при „ = 9000 об/мин

Вт

^— м К

В 5959.3

У 5363.7

■ 4768.2

4172.6

1 3577.0

2981.5

2385.9

1790.3

1194.8

599.2

3.6

нестационарной постановке за время прогрева двигателя на режиме холостого хода и четырех кругов заезда. Для такого расчета необходимо доопределить ГУ на поверхностях поршня для рабочих режимов в соответствии с ездовым циклом. Граничные условия теплообмена на внутренней поверхности поршня, помимо полученных ранее для п = 9000 об/мин, также рассчитывались при п = 3000 об/мин и и = 6000 об/мин, что позволило выяснить влияние частоты вращения на эффективность охлаждения. Локальные распределения коэффициента теплоотдачи на этих режимах носят схожий характер и усредненные значения а равны соответственно 1584 Вт/м2К, 1581 В т/м2 К и 1591 Вт/м2К. Это можно объяснить следующим образом (рис. 11): с увеличением частоты вращения коленчатого вала при движении поршня от ВМТ к НМТ интенсивность теплоотдачи практически линейно возрастает, вследствие увеличения относительной скорости струи, а при движении поршня от НМТ к ВМТ увеличивается объем масла, оторвавшийся от поверхности поршня, уменьшая тем самым теплоотвод. Эти факторы частично компенсируют друг друга, что в данном случае приводит к практически неизменной эффективности охлаждения на рассмотренных режимах работы двигателя при G = const.

<р, °УПКВ <р, °УГЖВ

а) б)

Рис. 11. Зависимость коэффициента теплоотдачи от частоты вращения коленчатого вала: а) среднее значение; б) максимальное значение

При анализе нестационарной гидродинамической картины течения, полученной за оборот коленчатого вала, было отмечено, что для 6000 об/мин и

9000 об/мин от 270° УПКВ до 360° УПКВ непосредственно перед контактом с поршнем наблюдается искажение струй (рис. 12), что может быть вызвано воздействием на них потока картерных газов, увлекаемых поршнем при движении к ВМТ. Цилиндрическая форма струй восстанавливается к 370° УПКВ.

а) 270° УПКВ б) 360° УПКВ

Рис. 12. Гидродинамическая картина течения масла по внутренней поверхности поршня при п = 9000 об/мин: а) 270° УПКВ; б) 360° УПКВ

Искажение струй провоцирует пульсацию потока масла в области торможения от 315° УПКВ до 420° УПКВ, что объясняет соответствующий характер изменения атах (см. рис. 11, б), причем с увеличением частоты вращения данный эффект усиливается, повышая интенсивность теплоотдачи.

Для анализа результатов нестационарного расчета температурного поля поршня рассматривались максимальные значения температуры на поверхности огневого днища поршня Тод и в зоне первой канавки под поршневое кольцо Т„,к. (рис. 13).

15 ---------------------------------------------------------------------------

0 13 26 39 52 65 78 91 104 117 130 143 156

Время расчета, с Рис. 13. Изменение температур в поршне в течение расчета

Температурные поля охлаждаемого и неохлаждаемого поршня показаны нарис. 14.

Т, °С

492,21

466,17

440,13

414,09

388,05

362,01

335,97

309,93

283,89

257,86

»1 г— оии.ио

І 1. 359,98

1 Я 339,88

_ 420,29

■ 400,18

Г, °С

а)

б)

Рис. 14. Температурное поле поршня: а) неохлаждаемый поршень; б) охлаждаемый поршень

Результаты проведенного численного эксперимента показывали, что применение разработанной системы струйного охлаждения позволило снизить максимальную температуру поршня на 73,7°С, а температуру в зоне первой канавки на 50,4°С. Таким образом, следует ожидать повышение ресурса поршня, также появляется возможность увеличения степени форсирования двигателя при неизменном ресурсе, что, тем не менее, требует экспериментальной проверки.

1. Разработана методика численного моделирования струйного охлаждения поршней, реализованная на основе программного комплекса АЫ8У8 СРХ, которая позволяет получать нестационарные локальные граничные условия со стороны охлаждающего масла и прогнозировать температурные поля поршней произвольной конструкции на различных нагрузочных и скоростных режимах двигателя, в том числе и на переходных режимах.

2. Верификация математической модели струйного охлаждения поршня произведена с использованием экспериментальных данных. В результате получено удовлетворительное качественное и количественное совпадение результатов. Погрешность расчетов относительно эксперимента не превысила 19%, что является приемлемым для практических расчетов.

3. Решение задачи теплообмена между поршнем и охлаждающим маслом в сопряженной постановке позволяет повысить точность определения температур в критических зонах поршня. Величина поправки, вносимой при решении сопряженной задачи, зависит от соотношения расхода масла через форсунку и скорости движения поршня и для рассмотренных задач составила от 2 до 8%.

Основные выводы

4. Проведен детальный анализ гидродинамики взаимодействия струи масла с внутренней поверхностью поршня и выявлены основные факторы, влияющие на интенсивность теплообмена. Полученные результаты показали, что увеличение расхода масла в 2 раза приводит к увеличению среднего по охлаждаемой поверхности коэффициента теплоотдачи в 2-2,5 раза, а уменьшение диаметра сопла в 2 раза увеличивает коэффициент теплоотдачи на 15-40%. Охлаждение поршня двумя форсунками для рассмотренных задач целесообразно при расходе более 90 л/ч.

5. При помощи предложенной методики проведена интенсификация охлаждения поршня высокофорсированного двигателя JAWADT-500, для чего разработана система струйного охлаждения, получена количественная оценка влияния различных параметров на эффективность охлаждения и выбран рациональный вариант сочетания параметров. Результаты проведенного численного эксперимента показывали, что струйное охлаждение позволило снизить максимальную температуру поршня на 73,7°С, а температуру в зоне первой канавки на 50,4°С.

Основные положения диссертации отражены в 6 работах:

1. Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Моделирование гидродинамики струи масла при взаимодействии с охлаждаемой поверхностью поршня // Решение энерго-экологических проблем в автотранспортном комплексе: Тезисы докладов международной научно-технической конференции 4-ые Лука-нинские чтения.-М., 2009.-С. 110-112.

2. Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Численное моделирование взаимодействия струи охлаждающего масла с поверхностью поршня // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических установках: Труды XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. - М., 2009. - С. 394-398.

3. Mikhaylov Yu.V., Myagkov L.L., Malastowski N.S. Numerical Simulation of impinging Jet Cooling // Proceedings of the 14th International Heat Transfer Conference.- Washington, 2010. - 10 p.

4. Михайлов Ю.В., Мягков Л.Л. Численное моделирование струйного охлаждения поршней ДВС // Сб. науч. тр. Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5), Т.2.- М., 2010. - С. 184-188.

5. Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Применение компьютерного моделирования для расчета характеристик теплообмена при струйном охлаждении поршней // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических установках: Труды XVIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. - М., 2011. - С. 379-380.

6. Чайнов Н.Д., Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Численное исследование

струйного охлаждения поршней ДВС // Двигателестроение. — 2011. — №2, —С. 12-16. .

Подписано в печать: 30.01.12 Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 297 Отпечатано в типографии «Реглет» 105005, г. Москва, ул. Бауманская д.ЗЗ (495)979-96-99; www.reglet.ru

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

61 12-5/1752

На правах рукописи

Михайлов Юрий Владимирович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ МАСЛЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПОРШНЕЙ БЫСТРОХОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

05.04.02 — Тепловые двигатели

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук доцент Мягков Л.Л.

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ--------------------------------------------------------------------------- 4

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИЯ ПОРШНЕЙ И РАСЧЕТ МАСЛЯНОГО

10

ОХЛАЖДЕНИЯ

1.1. Типовые конструкции поршней и способы их охлаждения---------- 10

1.2. Особенности систем масляного охлаждения поршней---------------- 17

1.3. Методы расчета масляного охлаждения поршней--------------------- 21

1.4. Способы повышения эффективности охлаждения--------------------- 32

1.4.1. Повышение эффективности галерейного охлаждения------ 32

1.4.2. Повышение эффективности струйного охлаждения---------- 36

1.5. Обзор методов расчета гидродинамики и теплообмена при взаимодействии струй с преградами--------------------------------------------------

1.6. Выводы по главе--------------------------------------------------------------- 48

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА СТРУЙ-

50

НОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПОРШНЕЙ

2.1. Система уравнений математической модели---------------------------- 51

2.2. Методы определения границы раздела фаз при моделировании течений со свободной поверхностью---------------------------------------------

2.3. Алгоритмы определения температурного поля поршня--------:------- 63

2.3.1. Моделирование температурного поля с учетом граничных

63

условий со стороны охлаждающего масла----------------------------

2.3.2. Алгоритм решения сопряженной задачи теплообмена------- 65

ГЛАВА 3. ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 69

3.1. Оценка погрешности расчетов при численном моделировании------ 69

3.2. Верификация математической модели взаимодействия струи с

преградой на основе тестовых задач-------------------------------------------

стр.

3.2.1. Взаимодействие струи с преградой перпендикулярной потоку-----------------------------------------------------------------------------

3.2.2. Моделирования торможения потока масла в открытом канале--------------------------------------------------------------------------

3.3. Верификация математической модели струи, набегающей на криволинейную перемещающуюся преграду--------------------------------------

3.3.1. Разработка расчетной модели взаимодействии струи с подвижной криволинейной поверхностью----------------------------

3.3.2. Качественная оценка точности модели------------------------- 88

3.3.3. Количественная оценка точности модели--------------------- 95

3.3.4. Решение сопряженной задачи теплообмена------------------- 101

3.3.5. Повышение точности численного моделирования взаимо-

102

действия струи с внутренней поверхностью поршня----------------

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ СТРУЙНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

105

ПОРШНЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ГОНОЧНОГО МОТОЦИКЛА

4.1. Разработка системы струйного охлаждения поршня JAWA БТ -500 при помощи методики численного моделирования--------------------

4.1.1. Исходные данные для разработки расчетной модели и по-

107

становка задачи исследования-------------------------------------------

4.1.2. Определение граничных условий по поверхностям поршня 110

4.2. Анализ результатов расчетов гидродинамики-------------------------- 121

4.3. Моделирование температурного поля поршня-------------------------- 131

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ------------------------------------------------ 135

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ--------------------------------------------------------- 137

ПРИЛОЖЕНИЕ № 1---------------------------------------------------------------- 147

ПРИЛОЖЕНИЕ №2---------------------------------------------------------------- 154

ПРИЛОЖЕНИЕ №3---------------------------------------------------------------- 161

ВВЕДЕНИЕ

К наиболее важным направлениям совершенствования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в настоящее время можно отнести: снижение вредных выбросов отработавших газов, что обуславливается постоянным ужесточением соответствующих норм, повышение удельной мощности и улучшение топливной экономичности. Применение систем впрыска топлива в цилиндр двигателя под высоким давлением и высокого уровня наддува, являющихся неотъемлемой частью концепции современных дизелей, а также высокофорсированных двигателей с искровым зажиганием, способствует улучшению показателей двигателя по всем перечисленным направлениям. Однако использование этих технологий сопровождается интенсификацией рабочего процесса в цилиндре и приводит к увеличению тепловых и механических нагрузок на детали двигателя.

Наиболее сильно подвержены воздействию тепловых нагрузок детали, образующие камеру сгорания, т.к. они воспринимают теплоту, которая выделяется при сгорании топлива, при этом поршень является одной из самых нагруженных деталей. Повышенный уровень температур поршня приводит к ухудшению к ухудшению качества смазочного масла и прочностных свойств материала поршня, в особенности это касается алюминиевых сплавов. Последствиями длительной работы поршня при термических нагрузках, превышающих расчетные, могут быть необратимые тепловые деформации, образование трещин, коксование масла, чрезмерный износ, зависание компрессионного кольца, микросваривание контактирующих поверхностей, влекущее за собой заедание поршня и выход из строя всего двигателя. Для обеспечения безотказной работы двигателя в течение заданного ресурса необходимо, чтобы максимальные температуры поршней были гарантированно ниже допустимых пределов. Эта задача решается путем воздействия на тепловой режим работы поршня, для чего требуется использование системы принудительного масляного охлаждения.

В настоящее время для охлаждения поршней дизелей с умеренной степенью форсирования, а также для высокофорсированных бензиновых двигателей

применяется струйное охлаждение, при котором струя масла, подаваемая из закрепленной в картере двигателя форсунки, омывает внутреннюю поверхность поршня. Широкое распространение этого способа охлаждения объясняется его эффективностью и конструктивной простотой.

В случае высокофорсированных дизелей применяется галерейное охлаждение, при котором происходит циркуляция и взбалтывание масла во внутренней кольцевой полости поршня. Этот метод является более эффективным, однако конструкция поршня при этом усложняется и увеличивается его стоимость.

Следует отметить, что для бензиновых двигателей альтернативы струйному охлаждению на данный момент нет. Ввиду непрерывной форспровки двигателей, вопрос интенсификации теплообмена в данном случае стоит особенно остро и вынуждает изыскивать резервы повышения эффективности этого способа охлаждения поршня.

Теплообмен между маслом и охлаждаемой поверхностью поршня при струйном охлаждении до сих пор остаётся малоизученным явлением, что вызвано ярко выраженной нестационарностью и локальностью параметров теплообмена, их зависимостью от режимов работы двигателя, конструкции поршня и форсунки. Разработанные методы расчета процесса теплообмена между поршнем и охлаждающим маслом носят, как правило, эмпирический характер, а их применение ограничено условиями, при которых они были получены.

В связи со сложностью гидродинамических явлений, имеющих место при струйном охлаждении поршня, учет наиболее значимых факторов, влияющих на точность описания этих явлений, возможен только при проведении численных, либо натурных экспериментов.

Математическое моделирование теплового и напряженно-деформированного состояния деталей двигателя способствует достижению значительной экономии временных и интеллектуальных ресурсов при проектировании и доводке ДВС [1]. В тоже время, разработка адекватной математической модели невозможна без экспериментальной верификации. При создании

математических моделей возможен учет большого количества факторов, влияющих на теплообмен, однако с усложнением модели ее реализация на ЭВМ становится более трудоёмкой. Несмотря на современные достижения компьютерных технологий в сфере высокопроизводительных вычислений и относительной доступности суперкомпьютеров, для решения конструкторских задач необходимо производить параметрические многовариантные расчеты, что вводит ограничения на сложность и детализацию используемых моделей.

В этой связи целесообразно рассмотреть математические модели для расчета струйного охлаждения поршней различной сложности. Для практических расчетов необходимо выбрать модель, имеющую рациональное сочетание точности и производительности вычислений

Актуальность настоящего исследования связана с необходимостью уточненного определения локальной интенсивности теплоотдачи на внутренней поверхности поршня, а также изучения факторов, позволяющих повысить эффективность охлаждения.

Цель работы: Разработка методики расчёта струйного охлаждения поршней ДВС, позволяющей прогнозировать их температурные поля и определять конструктивные параметры системы охлаждения поршня.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Разработка математической модели для расчета струйного охлаждения поршня и ее верификация с использованием имеющихся экспериментальных данных;

2. Анализ физических явлений при взаимодействии струи масла с внутренней поверхностью поршня, при его возвратно-поступательном движении;

3. Проведение численного исследования струйного охлаждения реальной конструкции поршня быстроходного двигателя.

Научная новизна:

Разработана методика численного моделирования струйного охлаждения поршней в трехмерной нестационарной постановке с возможностью учета со-

пряженного теплообмена между охлаждающим маслом и внутренней поверхностью поршня, позволяющая получить температурные поля поршней в широком диапазоне режимов работы двигателя и учесть влияние различных конструктивных параметров.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется:

• использованием фундаментальных законов гидро- и термодинамики, теории тепломассообмена, современных аналитических и численных методов математического моделирования;

• применением достоверных экспериментальных данных по исследованию гидродинамики и теплообмена при струйном охлаждении поршня. Практическая значимость работы состоит в том, что:

• разработанная методика численного моделирования струйного охлаждения позволяет прогнозировать температурные поля поршней произвольной конструкции;

• проведен анализ факторов, влияющих на интенсивность теплообмена, и дана их количественная оценка;

• проведен расчет и определены рациональные конструктивные параметры системы струйного охлаждения поршня быстроходного двигателя, что позволило существенно улучшить теплонапряженное состояние поршня;

• разработанная методика внедрена в производственную практику ООО "Компоненты двигателя" и используется при доводке мотоциклетных двигателей для участия в ледовом спидвее.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

• Первой и Третьей Всероссийской конференциях молодых ученых и специалистов «БУДУЩЕЕ МАШИНОСТРОЕНИЯ РОССИИ», г. Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, в 2008, 2010 гг.

• Научно-технической конференции 4-е ЛУКАНИНСКИЕ ЧТЕНИЯ, г. Москва, МАДИ, в 2009 г.

• XVII, XVIII Школах-семинарах молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», в 2009 г.( г.Жуковский, ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского, МФТИ), в 2011 г. (г. Звенигород, РГАТА).

• 14-ой международной конференции по теплообмену (IHTC14), США, г. Вашингтон, в 2010 г.

• Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ5), г. Москва, МЭИ, в 2010 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в

следующих работах:

1. Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Моделирование гидродинамики струи масла при взаимодействии с охлаждаемой поверхностью поршня // Решение энер-го-экологических проблем в автотранспортном комплексе: Тезисы докладов международной научно-технической конференции 4-ые Луканинские чтения. -М., 2009. - С. 110-112.

2. Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Численное моделирование взаимодействия струи охлаждающего масла с поверхностью поршня // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических установках: Труды XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. - М., 2009. - С. 394-398.

3. Mikhaylov Yu.V., Myagkov L.T., Malastowski N.S. Numerical Simulation of impinging Jet Cooling // Proceedings of the 14th International Heat Transfer Conference.- Washington, 2010. - 10 p.

4. Михайлов Ю.В., Мягков Л.Л. Численное моделирование струйного охлаждения поршней ДВС // Сб. науч. тр. Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5), Т.2.- М„ 2010. - С. 184-188.

5. Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Применение компьютерного моделирования для расчета характеристик теплообмена при струйном охлаждении поршней // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических уста-

новках: Труды XVIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. - М., 2011. - С. 379-380. 6. Чайнов Н.Д., Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Численное исследование струйного охлаждения поршней ДВС // Двигателестроение. — 2011. — № 2. — С. 12-16.

Объем работы: диссертационная работа содержит 161 страниц основного текста, 83 рисунков, 19 таблиц, состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 109 наименования.

1 ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИЯ ПОРШНЕЙ И РАСЧЕТ МАСЛЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

1.1. Типовые конструкции поршней и способы их охлаждения Увеличение удельной мощности и максимального давления в цилиндре ДВС является устоявшейся тенденцией, приводящей к повышению тепловых и механических нагрузок на детали двигателя (Рис. 1.1 и Рис. 1.2).

т

X Л

н а о

Я &

о

§

т

о

л

н

к

Ч

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

Те нде н ц и я р аз в и ти я

Венчиновые с наддувом

Ь ею шю вые без наддува

Легк-'ЧП.и дизели

Гр\ хсвыс дизели

<и Он

ч: д к ч к

я «

си К И си ч т

о

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Начало выпуска Рис. 1.1 .Тенденция совершенствования ДВС [2] 220

Рч оЗ Ю

Й N

ч: ец

0) о к

ьЦ

ч й

к о и

с«

200 180 160 140 120 100 80

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 ^ Литровая мощность, кВт

Рис. 1.2. Зависимость Р2 от литровой мощности для легковых дизелей [2]

Поверхность огневого днища поршня, являясь частью камеры сгорания, в значительной мере воспринимает тепловые нагрузки, что определяет высокий уровень температур поршней (Рис. 1.3).

О

о «

к В

04 О

к

ей

Рч £

а

Он

<D

с

D

н

(D О

я

Л «

СЗ

5

S

о ^

сЗ

450

400

300

250

200

150

I I I Г Струйное охлаждение (без галереи)

-S-г

Кромка камеры сгорания

"Верхняя канавка

Бобышка поршневого _ палыда_|_

С' гапдар п i ос1алерейное :

lili i i i i. 111 .....и. J.....i— i 1 i i 1 i i i i охлаж.де

40 45 50 55 60 65 70

Литровая мощность, кВт/л

75

Рис. 1.3. Температуры поршней легковых дизелей [2]

При продолжительной работе поршня из алюминиевого сплава при температуре кромки камеры сгорания свыше 350°С [4] (380°С - по сведениям [2, 3]) может произойти местное снижение прочностных свойств материала, приводящее к появлению трещин.

Превышение рабочих температур в районе компрессионного кольца допустимого значения 250°С [4] (280°С - по сведениям [2, 3]) может вызвать чрезмерное отложение кокса, что снижает подвижность поршневого кольца и приводит к его заеданию. Потеря компрессии сопровождается прорывом горячих газов через поршневое кольцо и ростом температур поршня, что искажает его форму и влечет за собой повышенный износ, в конечном итоге приводящий к поломке.

Для безотказной работы двигателя необходим контроль температуры поршня, особенно в таких опасных зонах как кромка камеры сгорания, канавка под верхнее кольцо и бобышки поршневого пальца.

Значительная часть тепла от поршня отводится через поршневые кольца и юбку, а присутствие в картере двигателя масляного тумана способствует тепло-отводу и от внутренней поверхности поршня. Однако этого оказывается достаточно только для малофорсированных двигателей и в большинстве случаев используется принудительное масляное охлаждение. В зависимости от уровня форсирования и назначения двигателя применяют различные способы охлаждения.

Для двигателей с умеренным уровнем форсирования используется струйное охлаждение, при котором масло из системы смазки двигателя подводится непосредственно к внутренней поверхности поршня. Простейший способ струйного охлаждения подразумевает наличие отверстия, направленного на внутреннюю поверхность поршня, в кривошипной головке шатуна или в поршневой головке, если в стержне шатуна есть масляный канал. Первая схема охлаждения используется в бензиновых двигателях легковых автомобилей, а вторая схема в основном в среднеоборотных судовых и тепловозных дизелях. Применимость второго способа ограничена зависимостью расхода масла, поступающего к поршневой головке, от частоты вращения двигателя, т.к. с ростом частоты вращения увеличивается составляющая инерционных сил, препятствующих прокачиванию масла через стержень шатуна, а также тем, что часть масла отбирается на смазывание подшипников коленчатого вала.

Для более эффективного охлаждения используют неподвижно установленные в картере двигателя фор