автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование влияния отдельных факторов на тепловое состояние и показатели мотоциклетных двигателей

РТб о»

2 9' М1&КЛВЕНШЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФВДЕР41ДОИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ АВТОМОШЛЬНОГО И ТРАКТОРНОГО ?Ш1МНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

КЕ КИ

УДК 621.432.001.1

■ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ФАКТОРОВ НА ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ И ПОКАЗАТЕЛИ ЮТОЦШЕГШХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидате технических наук

Моск-а 1995

Работа выполнена во Владимирском государственном техничес ком университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Ефрос в.в.

Официальные оппоненты ~ доктор технических наук,профессор

А.А.Шейпак

кандидат технических наук, доцент Л.Х.Арустанов •

Ведущее предприятие - Н И К Т К Д

Защита'диссертации состоится 21 июня 1995 г. в 16.00 часов на заседании специализированного совета К 063.49.01 при Московской государственной академии автомобильного и тракторного машиностроения по адресу: 105023, Москва, ул.Б.Семеновская, д.38, ауд. Б-301. :

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан 1995

г.

. Ученый секретарь социализированного совета

кандидат технических наук, доцентур Порядков В.И.

' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение технико-экономических показателей двухтактных карбюраторных двигателей для мототехники нераз -ывно связано с обеспечением требуемого теплового состояния их еталей. В то же время применительно к рассматриваемым двигателям ешение указанной проблемы вызывает определенные сложности, обус-овденные особенностями протекания рабочего процесса и теплообме-а, что затрудняет на только изучение теплового состояния, но и спользсвание опыта, накопленного при исследовании различных моде-:ей двигателей. Кроме того, вследствие малой стоимости мотодзига'-елей, легкости их разборки и сборки, малого количества и редкой .меняемости моделей поиск благоприятных ресений традиционно сведется в область доводочных работ, что существенно ограничивает воз-южность обобщения получаемых результатов.

Поэтому в настоящее время, характеризуемое все возрастающими ребованиями к двигателям указанного типа, изучение их теплового юстсяния й оценка влияния на него различных факторов становятся юобо актуальней.

Целью диссертации является исследование влияния отдельных закторсв На тепловое состояние двигателей для мототехники и разра-¡отка на этой основе рекомендаций для их проектирования.

Объектами исследований являлись двухтактные одноцилиндровые [арбюраторные двигатели с кривошипно-каыерной продувкой производства Тульского машиностроительного завода и Ковровского завода им. 5.А.Дегтярёва.

■ Научная ноэизна работы состоит в установлении взаимосвязи ос-ювных факторов, определяющих тепловое состояние Деталей двигате-гей. Исследовано их влияние на формирование температурного уров-щ деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), и дана оценка степени >того влияния в зависимости от различных конкретных ситуаций. Разработаны безмоторные и моторные установки, а также методики иссле- • ювания, необходимые для решения поставленных задач.

Практическая ценность. Разработанные безмоторные установки 1 методики исследований позеоляют уменьхпть сроки и трудоемкость ■ экспериментально-доводочных работ при создании и модернизации мо-годвигателей. На основе выполненных исследований предложены рекомендации по рациональному выбору конструкции элементов системы

охлаждения, теплоизолирующей вставке в выпускном канале цилиндр величине предварительного натяга в сопряжении чугунная гильза -алюминиевая рубашка цилиндра, выбору угла опережения зажигания ограничению температур,! поршня из.алюминиевого сплава и др.

Реализация результатов работы. Результаты работы использую ся в учебном процессе и в научной работе кафедры ДВС ВлГТУ.

Апробация результатов. Результаты исследовании, изложенные .в диссертации, докладквались на:

- научно-практическом семинаре "Совершенствование мощности экономических и экологических показателей ДВС", Владимир, НИКТИ 1993;'

- научной конференции Владимирского государственного техни ческого университета, Владимир, ВлГТУ, 199-1.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, вклгача щего 42 наименования источников. Работа содержит 118страниц оси кого текста, 47 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, изложена ее цел и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан краткий анализ влияния теплового состоя ния.двигателя на показатели его работы и напряженно-деформируем 'состояние деталей. Показано, что в настоящее время сформированы ориентировочные данные о величинах температур деталей существую щих'конструкций двухтактных двигателей и необходимых удельных к личёств отводимой от двигателя теплоты для поддержания заданных температур.

На основе анализу установлена взаимосвязь основных констр .тивных, регулировочных и эксплуатационных факторов, определяющ тепловое состояние двигателя.

Во второй главе выполнен анализ методов исследования теп вого состояния двигателя. Рассмотрены преимущества и недостатк расчетных и экспериментальных методов. На основе результатов и следований поршня двигателя мотоцикла "Восход ЗМ-01", показанн в виде расчетных изотерм и экспериментально замеренной темпера ры в характерных точках.установлено (рис. 1,2), что наиболее

2

2Э7°С

262°С

190°С

315°С 8-

3 5»2°0

•23{°С

-гао^—|

Г фг7д°с о

Ряс. I. Распределение температур в сечении Рис. 2. Распределение температур в сечении

поршня в плоскости оси пальца: поршня в плоскости, перпендикулярной

_ расчетная изотерма; оси пальца:

« эксперимент __расчетная изотерма;

« эксперимент

со

предпочтительным для исследования теллового состояния деталей двигателя является расчетно-экспердаентальный метод, основанный на результатах моторных испытаний, позволяющий эффективно корректировать граничные условия теплообмена при решении задачи теплопроводности в трехмерной постановке. Однако для оценки влияния отдельных факторов на тепловое состояние двигателя, накопления и систематизации данных, используемых при задании граничных условий теплообмена, целесообразно применять экспериментальные методы, базирующиеся на известных способах замеров температуры.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований системы охлаждения и теплового состояния двигателя. Установлено (рис. 3), что производительность и мощность, затрачиваемые на привод вентилятора, укомплектованного рабочим колесом с лопатками,_загнутыми вперед, в диапазоне частот вращения 4С00...5200 мин-1, по сравнению с аналогичными параметрами вентилятора с рабочим колесом,у которого лопатки загнуты назад, выше соответственно на 22...14% и 52...62%.

Исследованием теплового состояния двигателя с различными вен тиляторами показало, что установка рабочею колеса с лопатками, загнутыми вперед(позволяет снизить температуру цилиндра на 2...5° головки - на 2...Ю°С. При установке рабочего колеса вентилятора с лопатками, загнутыми назад, температура цилиндра повышается на 2..Л2°С, головки - 3—о°С. Улучшение топливной экономичности двигателя, укомплектованного рабочим колесом вентилятора с лопатками, загнутыми назад, не наблюдалось.

При правильном выборе размеров проходных сечений улитки, построенной по логарифмической спирали,производительность вентиляхо ра может быть увеличена без существенно повышения мощности на его привод. Повышение расхода охлаждающего воздуха с 380 до 444 м^/4, достигаемое установкой опытной улитки, сопровождаете? уменьшением температур,! цилиндра и головки до Ю°С.

Полученные результаты при моторных испытаниях позволяли оценить влияние расхода охлаждающего воздухя на изменение теплового состояния двигателя и энергетические затраты на привод вентилятора (рис. 4). Увеличение расхода воздуха на охлаждение двигателя свыше 450 м'"/4 незначительно снижает температуру цилиндра и го -ловки. В то'52 время-, энергетические затраты мощности на привод вентилятора резко возрастают.

Аэродинамические испытания вентилятора, работающего в сети

Рис. 3. Скоростная характеристика вентилятора с различными конструкциями лопаток:

1-е лопатками, загнутыми вперед;

2-е радиально-оканчивающимися лопатками;

3-е лопатками, загнутыми назад

Рис. 4. Зависимость среднем температуру деталей двигателя.и энергетических затрат от расхода охлаждающего воздуха ( Ые= 7,7 кВт; а = 5200 мин"1 ):

1 - средняя температура головки;

2 - средняя температура цилиндра;

3 - затраты мощности на привод

вентилятора

Рис. 5. Нагрузочная характеристика

ДЕИгателя Т-200А ( П. =5200 мин"1 =13°С):

___без дросселирования;

_ с дросселированием.

с исходным и опытным дефлектором,показали, что расход охлаждающего воз,духа через двигатель увеличивается на. 1,5...2% по скоростной характеристике О'ез изменения мощности на привод вентилятора. Повышение расхода воздуха с одновременным изменением рзжкма обтекания цилиндра воздушным потоком при установке опытного деф -лектора сопровождается снижением температуры цилиндра на 8...Ю°С.

Исследованием скоростных характеристик вентилятора установлено, что расход воздуха через системы охлаждения за счет дросселирования можно снизить в 1,9...2 раза при соответствующем уменьшении затрат мощности на привод вентилятора. На малых частотах вращения затраты мощности при различных степенях дросселирования отличаются незначительно, но с ростом частоты вращения эта разница возрастает. Например, при П. -5200 мин"-'' мощность, затрачиваемая на привод вентилятора путем дросселирования воздушного потока,может быть уменьшена в 2 раза. При исследовании влияния дросселирования воздушного потока на топливную экономичность двигателя и тепловое состояние его деталей было установлено (рис. 5), что применение дросселирования воздуха на выходе из вентилятора снижает расход топлива на частичных нагрузках. Наибольшее уменьшение расхода топлива, равное 0,2 кг/ч, было получено при работе двигателя на режимеНе=0,7...1,5 кВт. С увеличением нагрузки разница в расходах топлива с дросселированием воздуха и без него уменьшается и приN6= 3,5...4,5 кВт составляет 0,05 кг/ч. С дальнейшим повышением нагрузки в силу роста температур.! деталей дросселирование воздуха не требуется. Температура цилиндра и головки в среднем увеличивается на 30...50°С. При более низких температурах окружающей среды эффект от дросселирования воздуха становится выше. Например, при"Ьо=-10оС уменьшение расхода топлива на режимах N2=0,7...I,5 кВт составляет 0,3 кг/ч по сравнению с двигателем без дросселирования.

Расчетными и экспериментальными исследованиями показано, что для предотвращения зазора в соединении гильза-рубашка цилиндра при работе двигателя Т-200А необходимо создание предварительного натяга в пределах 0,15 -г 0,2 мм. Однако с учетом возможности пластического деформирования микронеровностей контактирующих поверхностей как непосредственно после запрессовки так и в процессе эксплуатации действительная величина натяга должна быть .увеличена на 20...307о. При оценке термического сопротивления контакта гильза-рубанка цилиндра, основанной на теории

с»

V

2,0 1.8 1,2

.1

• Ч^Р*

Чь

20

ч5

70 35

Т,С

-0,3 -0,1

0,1 5, мм

Рис. б. Оценка сопряжения гильза-рубашка цилиндра по скорости охлаждения:

1 - соединение с зазором 0,1 мм;

2 - соединение с натягом от 0,1 до 0,27 мы

Рис. 7. Влияние натяга в сопряжении гильза-рубашка цилиндра на параметры двигателя Т-200А

регулярного режима, установлено (рис. б), что темп охлаждения гильзы цилиндра с натягом 0,1 и 0,27 мм отличается незначительно. Эднпко в обоих случаях они существенно выше, чем при соединении с зазором. Средние температуры гильзы и головки цилиндра изменяется незначительно при наличии натяга вплоть до минимального, но с появлением зазора происходит их резкое увеличение с одновременным ухудшением эффективных показателей Дгигателя (рис. 7).

Испытания головок цилиндра,конструктивные параметры которых зриведены в!таблице,показали, что температурное поле головки V Т относительно исходной более равномерное. На ее периферии температура повысилась на 15...20°С по сравнению с исходной. Более высокое тепловое состояние головки № 2 объясняется прежде всего иеньшей поверхностью охлаждения. Это также обусловливает и более зысокую температуру цилиндра, которая в среднем на 12 .Л7°С зыше температуры цилиндра с головкойI.

По результатам исследования влияния стальной вставки (окраса) в выпускном канале на тепловое состояние цилиндра, укомплектованного опытным дефлектором, наблюдалось снижение температуры ?ильзы на 8..Л0°С. Одновременно происходит увеличение температуры отработавших газов с 540 до 560°С (рис. 8). При уменьшении /гла опережения зажигания с 30 до 20° поворота коленчатого ва-ia (ПКв) средняя температура поршня увеличивается с интенсивностью 2°С на один градус угла опережения зажигания (рис. Од-1ако с увеличением его от 30° до максимального (40°ПКв) проис-содит более интенсивный рост температуры пориня, который дости-чает в среднем 7°С на один градус угла опережения зажигания. Наболев чувствительной зоной 'днища пориня по температуре к иэме-юншо угла опережения зажигания является его центр. При угле опережения зажигания Х- = 40°ПКв в центре днища пориня на режиме а =4600 мин"* температура составила 345°С. а на режиме П. -5200 шГ* произошел прогар поршня. В момент разрушения температура j этой зоне составляла 455°С. При работе на смеси бензина Л-76 : маслом М-8А минимальная, осредненная по всем точкам температура головки и цилиндра получена при соотношении масла в бензине ' : 3 и составила 180°С для головки и 160°С для цилиндра. Рабо-■а двигателя на смеси бензина с маслом МС-20 в соотношении I : 25 :а растеризуется минимальными температурами,.причем уровень этих ■емператур на 5...б°С выше соответствующих температур, получек-wx для масла М-8А. Наиболее высокий уровень теплового состояния

о

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГОЛОВОК

Парам е. тры Г о л о я к а

исходная опытная № I- 1 * I опытная № 2

■ Общая высота головки, им 72 72 70

Высота верхних ребер охлаждения, мы 55 55 50

Количество верхних ребер на входе/выходе 16/16 13/16 П/Ю

■ Высота нижних ребер охлаждения, мм 5 . 5 5

Количество нижних ребер 16 16 16

Проходное сечение верхних ребер по середине

головки, см2 24,0 26,9 35,4

Проходное сечение нижних ребер, см*- -7,2 5,9 2,0

Суммарное проходное сечение головки, см2 31,2 32,8 37,4

Поверхность охлаждающих ребер, сиг:

верхних 1255 1031 956

нижних 426 378 72

общая 1681 1409 1028

--- без экрана;

с экраном

Рис. 9. Средняя температура днища поршня в зависимости от угла опережения закигания:

1 - П. = 5200 мин-1;

2 - К = 4600 мин"1

двигателя получен при работе на смеси бензина и масла М-бЗ/ЮГ^. В этом случае температура головки возросла до 21Еь225°С, цилиндра - до 1?8;Д83°С. Исследования показали также, что с увеличением содержания масла в бензине скорость сгорания смеси уменьшается, что приводят к догоранию на'линии расширения и увеличению нагаро- и лакообразования. Однако с уменьшением процентного содержания масла в топливе процессы смесеобразования и сгорания улучшаются, величина нагароотлгакений уменьшается, но дальнейшее его ¿уненьгсение приводит к росту температуры деталей ЦЛГ из-за резкого ухудшения условий сказки.

В четвестой главе приводится описание экспериментальных установок, методик проведения испытаний и обработки опытных данных, оценка погрешностей измеряемых величин;

Испытания двигателя Т-200А проводились на моторном стенде и специальных безмоторных установках.

На безмоторных установках проводились аэродинамические испытания элементов системы воздушного охлаждения (конструкции вентилятора с различными рабочими к о лес 01.1 и, отличающимися формой лопаток; улиток и дефлекторов) и исследования влияния соединения чугунная гильза - алюминиевая рубашка цилиндра на тепловое состояние двигателя. В основу исследования последнего была положена теория регулярного режима, согласно которой охлаждение тела, нагретого до определенной температуры, после истечения некоторого промежутка времени, необходимого для получения регулярного решила, подчиняется экспоненциальному закону

0 = СУ

где" 8 => 'Ь — *Ьо ~ избыточная температура тела;

"ЬуЬо - температура тела и окружающей среды;

С - постоянная, зависящая от начального состояния тела;

V - функция координат точки системы;

ГЛ.- показатель, характеризующий темп охлаждения;

'С - время охлаждения.

Показано, что логарифм избыточной температуры изменяется по линейному закону в зависимости от времени, а скорость его изменения равна

Программа испытания на" моторном стенде включала в себя экс-зериментальные исследования-теплового состояния 151Г двигателя лри его различной комплектации элементами системы охлаждения» • цилиндрами и головками. Кроме того,исследовалось влияние на тепловое состояние угла опережения зажигания, сорта масла и его содержания в топливе, расхода охлаждающего воздуха. В соответствии с задачами исследований экспериментальные установки позволяли производить моторные испытания воздушных систем охлаждения при различных их комплектациях в широком диапазоне рабочих режимов- При аэродинамических испытаниях вентилятор крепился на специально изготовленном валу, установленном вместо коленчатого вала. Привод вентилятора осуществляется от баланеирной машины постоянного тока. Для изменения величины натяга производилось шлифование . наружной поверхности гильзы. Температура деталей 1ДДГ измерялась с помощью хромель-копелевых термопар.

Испытание двигателя "Восход ЗМ-01" проводилось на моторном стенде лаборатории ДВС ПО" Завод им. В.Л.Дегтярёва". Задачей эксперимента являлось исследование теплового состояния поршня. Измерение температур,! поршня выполнялось для номинального режима работы двигателя и основывалось на использовании измерителя максимальной температуры кристаллического (ИЫТК), конструкция которого была разработана в Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова. Подобный датчик представляет собой стальную капсулу диаметром I мм и длиной 3 мм, заполненную порошком облученного алмаза. Действие ИМШ основано на зависимости изменения кристаллической решетки алмаза от температуры и времени отжига.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлена взаимосвязь основных факторов, определяющих тепловое состояние двигателей для мототехники,и исследована степень их влияния на температурное состояние деталей ЦДГ.

2. Показано, что при исследовании теплового состояния деталей ЦПГ двигателя для корректировки граничных условий теплообмена при решении задачи теплопроводности в трехмерной постановке целесообразно использование расчетно-экспериментального метода, базирующегося на результатах моторных испытаний. Разработана и успешно практически реализована методика определения температуры поршня

С ПОМОЩЬЮ'ИМШ. то

3. Исследовано влияние величины.натяга между чугунной гиль-, зой и алюминиевой рубалкой цилиндра и'установки стальной вставки в выпускной канал цилиндра на тепловое состояние двигателя и показатели его работы. Показано, что отсутствие предварительного натяга в сопряжении гильза-рубашка цилиндра приводит к резкому увеличению температуры деталей 1$Т двигателя, снижению его мощности и ухудшению топливной экономичности. Установка стальной вставки. в выпускной канал позволяет уменьшить подвод теплоты к цилин-. дру. При этом температура цилиндра двигателя Т-200А уменьшается

на 8...Ю°С, а температура выхлопных газов увеличивается на Ю°С.

4. Разработаны безматорная установка и методика исследований, основанные на теории регулярного режима, позволяющие эффективно оценивать качество соединения чугунная, гильза - алюминиевая рубашка цилиндра.

5. Определены конструктивные параметры основных элементов системы воздушного охлаждения, обеспечивающие улучшение теплового состояния двигателя Т-200А и разработаны рекомендации по проектированию систем охлаждения.

6. Улучшение технико-экономических показателей двухтактных карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной продувкой требует разработки эффективных путей управления его тепловым состоянием. Для мотодвигателей с принудительной системой воздушного охлаждения предложен способ регулирования теплового состояния в зависимости от режима работы и температуры окружающего воздуха, заключающийся в дросселировании потока охлаждающего воздуха на выходе из вентилятора, обеспечивающий улучшение топливной экономичности двигателя Т-200А в области частичных нагрузок на 50... 300 к/кВт.ч.

По теме диссертации опубликована следующая работа:

I. Петров Б.Б., Гуськов В.ф., Ке Ки. Оценка тепловой механической напряженности поршня двигателя мотоцикла "Восход ЗМ" / / Совершенствование мощноствдх, экономических и экологических показателей ДВС: Материалы Ш научно-практического семинара.-Владимир, 199:4. .

Н