автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка методики расчета тепловых характеристик свечей зажигания карбюраторных двигателей

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБЩИЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Краткий обзор и анализ работ по исследованию теплового состояния свечей зажигания

1.2. О теплообмене в цилиндре двигателя.

1.3. В ыв о ды.

1.4. Цель и задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ

2.1. Математическая модель процесса теплопередачи в свече зажигания.

2.2. Условия теплообмена в цилиндре двигателя.

2.2.1. Скоростное поле газа на поверхности камеры сгорания

2.2.2. Распределение коэффициента теплоотдачи на поверхности камеры сгорания

2.2.3. Влияние рабочего процесса на коэффициент теплоотдачи.

2.2.4. Алгоритм расчета коэффициента теплоотдачи на поверхности камеры сгорания.

2.3. Численный пример расчета коэффициента теплоотдачи на поверхности камеры сгорания.

2.4. Основные результаты теоретического исследования

3. РАСЧЕТНОЕ И ЭКСПЕРИМЖТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ

3.1. Термометрирование свечи зажигания.

3.1.1. Объект испытаний и экспериментальная установка

3.1.2. Программа и методика испытаний

3.1.3. Аппаратура и методика измерений.

3.1.4. Погрешности измерений и расчетов.

3.2. Использование метода конечных элементов при исследовании температурных полей свёчей зажигания.

3.3. Теплообмен в свечах зажигания.

3.3.1. Определение коэффициентов теплоотдачи на боковой поверхности и нижнем основании теплового конуса свечи зажигания.

3.3.2. Условия теплообмена на верхнем основании теплового конуса и поверхности канала центрального электрода

3.4. Расчет калильного числа свечи зажигания.

3.5. Основные результаты расчетно-экспериментального исследования.

4. МЕТОДИКА ПОДБОРА СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ К ДВИГАТЕЛЮ

4.1. Исходные данные для подбора свечи к двигателю

4.2. Номограмма для подбора свечи к двигателю

4.3. Примеры подбора свечи к двигателю.

4.4. Методика расчета свечи зажигания.

4.5. Расчет экономической эффективности от внедрения результатов работы

4.6. В ыв о ды.

В решениях ХХУ1 съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года указывается на необходимость дальнейшего укрепления материально-технической базы автомобильного транспорта, совершенствования структуры парка автомобилей, повышения удельного веса машин большей грузоподъемности, специализированных и малотоннажных автомобилей [l, 2, З] .Для решения вышеуказанных задач необходимо оснастить транспорт мощными, высокоэкономичнымж, надежными и долговечными двигателями внутреннего сгорания.При нормальной работе свечи температура теплового конуса изолятора должна находиться в сравнительно узком диапазоне температур. Этот диапазон ограничен, с одной стороны, температурой самоочищения свечи, равной 720-770 К, а с другой - температурой, вызывающей калильное зажигание (II701220 К) [54, 65] .При температуре теплового конуса ниже 770 К происходит постепенное шунтирование искрового промежутка токопроводящим слоем нагара, и свеча перестает выполнять свои функции, Если же температура теплового конуса свечи выше 1220 К, то возникает калильное зажигание - самовоспламенение рабочей смеси за счет соприкосновения ее с перегретыми частями свечи. При калильном зажигании резко повышаются механические нагрузки на детали кривошипно - шатунного механизма, наблюдаются падение мощности двигателя и перерасход топлива. Кроме того, повышенная тепловая напряженность свечи при калильном зажигании уменьшает ее долговечность: наблюдается оплавление электродов и растрескивание теплового конуса изолятора [65, 8 7 ] .Современное двигателестроение следует по пути дальнейшего форсирования двигателей внутреннего сгорания, что приводит к увеличению теплонапряженности как самого двигателя, так и его свечей зажигания. Иначе говоря, требования, предъявляемые к свече зажигания со стороны рабочего процесса, ужесточают- 6 ся. в связи с этим возникает необходимость более точного подбора свечи к двигателю, что, в свою очередь, требует исследования температурных полей свечей зажигания.Настоящая работа посвящена вопросу дальнейшего совершенствования расчета свечи зажигания и разработке методики подбора ее к двигателю. Особенностью работы является то, что расчет тепловой характеристики свечи ведется на основе решения дифференциального уравнения теплопроводности.Н а у ч н а я н о в и з н а р а б о т ы заключается в том, что при оценке теплового состояния коэффициент теплоотдачи от газов к свече зажигания определяется на базе современных представлений о теплообмене в цилиндре двигателя и основных положений теории пограничного слоя, а также Б том, что впервые предложена методика аналитического подбора свечи к двигателю.Предлагаемая методика позволяет подбирать свечи зажигания как для существующих конструкций двигателей, так и для двигателей, находящихся в стадии разработки. - 7

4.6. Выводы

1. Создана методика расчета свечи зажигания с заранее заданной тепловой характеристикой.

2. Разработана инженерная методика подбора свечи к двигателю, позволяющая по основным показателям режима работы карбюраторного двигателя выбрать свечу зажигания, которая бы соответствовала тепловой напряженности рабочего процесса.

3. Предлагаемая методика дает возможность определить свечу зажигания как для существующих конструкций двигателей, так и для двигателей, находящихся на стадии разработки.

1. Предложена математическая модель теплового состояния свечи зажигания, учитывавшая размеры и материал теплового конуса и центрального электрода, а также величину зазора междо ними и условия теплоотвода через корпус свечи.

2. Безразмерные комплексы из конструктивных и эксплуатационных параметров свечи, входящие в уравнения математической модели, позволяют получить температурные поля одновременно для целого ряда свечей зажигания.

3. Для различных конструкций свечей определены условия теплообмена между тепловым конусом и верхней частью изолятора.

4. Установлено влияние материала центрального электрода и зазора между ним и изолятором на температурное поле теплового конуса. Определены условия теплообмена между данными деталями.

5. На основе современных представлений о теплообмене в цилиндре ДВС разработан способ определения коэффициентов теплоотдачи от газов к свече зажигания, учитывающий основные конструктивные параметры двигателя, режим его работы, а также расположение свечи в камере сгорания.

6. Создана инженерная методика расчета калильного числа свечи зажигания. Разработан метод расчета свечи с заранее заданными свойствами.

7. Предложена номограмма, позволяющая по основным показателям работы карбюраторного двигателя выбрать свечу зажигания, которая бы соответствовала тепловой напряженности его рабочего процесса. Данный способ дает возможность определить свечу зажигания как для существующих конструкций двигателей, так и для двигателей, находящихся на стадии разработки.

8. Дальнейшие исследования целесообразно проводить в направлении уточнения влияния на температурное поле свечи распределения коэффициента теплоотдачи по длине теплового конуса.

1. Проект ЦК КПСС к ХХУ1 съезду Коммунистической партии Советского Союза "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года". - Правда, 1980, 2 декабря.

2. Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года. -В кн.: Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М., Политиздат, 1981,с. 131-205.

3. Архангельский В.М., Вихерт М.М., Воинов А.Н. и др. Автомобильные двигатели (под общ. ред. Ховаха М.С.) М.: Машиностроение, 1967. - 496 с.

4. Басс Б.А., Ионов В.В. Тепловой ряд свечей зажигания с резьбой на корпусе М 14 х 1,25. Труды НИИ автоприборов. Вып. 2/36/. -М.: изд. НИИавтоприборов, 1975, с. 39-55.

5. Басс Б.А., Яхутль Д.Р. Теоретическое и экспериментальное исследование теплового поля в свечах зажигания. -Труды НИИавтоприборов. Вып. 42. М.: изд. НИИавтоприборов, 1977, с. 23-41.

6. Бейтмен Г. и Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции, т. 2. М.: Наука, 1966. - 296 с.

7. Брилинг Н.Р. Исследование рабочего процесса и теплопередачи в двигателе дизель. М.-Л.: ГНТИ, 1961. -320 с.

8. Бузник В.М. Теплопередача в судовых энергетических установках. Л.: Судостроение, 1967. - 376 с.

9. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судпромгиз, 1968. - 456 с.

10. Васильев Ю.Н. Системы и оборудование охлаждения поршневых ГПА компрессорных станций. Дис. докт. техн. наук. - М., 1974. - 287 с.

11. Вибе И.И. Новое в рабочем цикле двигателей. -Москва-Свердловск: Машгиз, 1962. 271 с.

12. Гаврилов А.К., Домань П.Н. Определение коэффициента теплоотдачи от гильзы цилиндра дизельного двигателя к охлаждакь щей воде с помощью электротепловой аналогии. Известия ВУЗов. Машиностроение, 1967, №3, с. 59-61.

13. Гербер Г., Эрк С. и Григулль У. Основы учения о теплообмене . М.: Иностранная литература, 1958. - 566 с.

14. Гутер Р.С., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1970. - 432 с.

15. Давыдов Г.А., Овсянников М.К. Температурные напряжения в деталях судовых дизелей. Л.: Судостроение, 1962. -247 с.

16. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. ГОСТ 14846-69. М.: Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР, 1974. - 38 с.

17. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и продуктам их сгорания. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. -288 с.

18. Дьяченко Н.Х. и др. Теория двигателей внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение, 1965. - 459 с.

19. Дьяченко Н.Х., Дашков С.Н. и др. Теплообмен в двигателях и теплонапряженность их деталей. Л.: Машиностроение, 1969. - 248 с.

20. Дьяченко В.Г., Корисов Н.А. О перспективах развития энергетических установок легковых автомобилей. В кн.: Двигатели внутреннего сгорания. Вып. 31. Респ. межвед. научн.-техн. сб. - Харьков: Вища школа. Изд. Харьк. ун-та, 1980, с. 3-8.

21. Жеребятьев И.Ф., Лукьянов А.Т. Математическое моделирование уравнений типа теплопроводности с разрывными коэффициентами. М.: Энергия, 1968. - 56 с.

22. Зацерклянский Н.М., Мундштуков Д.А. Особенности некоторых математических моделей движения среды в ДВС. Двига-телестроение, 1980, № 8, с. 21-24.

23. Иванченко Н.Н., Бученков А.И. и Петриченко М.Р.

24. К вопросу об определении коэффициента теплоотдачи от газов к головке цилиндров четырехтактного двигателя. Труды ЦНИДЙ. Вып. 69. - Л.: изд. ЦНИДИ, 1975, с. 129-136.

25. Иноземцев Н.В., Кошкин В.К. Процессы сгорания в двигателях. М.: Машгиз, 1949. 344 с.

26. Ицкович И.А. Программирование для ЭВМ "Наири". -М.: Статистика, 1975. 192 с.

27. Коздоба Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М.: Наука, 1975. 227 с.

28. Коздоба Л.А. Электрическое моделирование явлений тепло- и массопереноса. М.: Энергия, 1972. - 296 с.

29. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1980. - 400 с.

30. Кондратов А.П., Шестопалов Е.В. Основы физического эксперимента и математическая обработка результатов измерений. М.: Атомиздат, 1977. - 200 с.

31. Костин А.К., Ларионов В.В., Михайлов Л.И. Тепло-нацряженность двигателей внутреннего сгорания: Справочное пособие. Л.: Машиностроение, 1979^ - 222 с.

32. Костин А.К., Михайлов А.И. Методика расчета теплоотдачи от рабочего тела в стенки камеры сгорания. Энергомашиностроение, 1976, № 12, с. 15-17.

33. Костин А.К., Михайлов Л.И., Сазаев Ж.0. Экспериментальное исследование локального теплообмена в цилиндре высокооборотного дизеля. Двигателестроение, 1982, № 4,с. 12-15.

34. Костин А.К., Михайлов Л.И., Славиньски 3. Оценка точности задания граничных условий при расчете теплонапряжен-ности поршней. Двигателестроение, 1982, № 7, с. 10-12.

35. Костров А.В., Яров Б.С. Аналитический расчет температурного поля днища поршня двигателя автомобиля "Москвич-412".- Автомобильная промышленность, 1973, № 5, с. 6-8.

36. Краткое описание и инструкция по эксплуатации электропневматического стробоскопического индикатора модели МАИ-2А.- М., 1969. 34 с.

37. Кулебакин B.C., Синдеев И.М. Электрификация самолетов. Зажигание в авиационных двигателях, т. 1У. М.: ВВИА, 1952. - 136 с.

38. Лойцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой. М.: Физматгиз, 1962. - 479 с.

39. Методы определения теплопроводности и температуро-цроводимости (под ред. Лыкова А.В.). М.: Энергия, 1973. 336 с.

40. Миронов К.А., Шипетин Л.И. Теплотехнические измерительные приборы. М.: Машгиз, 1958. - 896 с.

41. Михайлов А.Ф. О подборе свечи зажигания к двигателю. Саратов, 1981. - 7 с. Рукопись представлена Саратовским политехническим институтом. Деп. в НИИНавтоцром 10 марта 1981, В Д 593.

42. Михайлов А.Ф., Маслов Ю.Н. Использование метода электротепловой аналогии для исследования калильного числа свечи зажигания. Саратов, 1981, - 5 с. Рукопись представлена Саратовским политехническим институтом. Деп. в НИИНавто-пром 10 марта 1981, № Д 592.

43. Михайлов А.Ф., Юдин Ю.Н. Исследование температурного поля свечи зажигания методом электротепловой аналогии.

44. В сб.: Исследование двигателей внутреннего сгорания, транспортных машин и агрегатов. Саратов, 1977, с. 18-23. Рукопись представлена Саратовским политехническим институтом. Деп. в НИИНавтопром 14 сентября 1977, № Д 272.

45. Морозов К.А., Черняк Б.Я., Синельников Н.И. Особенности рабочих процессов высокооборотных карбюраторных двигателей. М.: Машиностроение, 1971. - 100 с.

46. Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. М.: Энергия, 1963. - 584 с.

47. Несис Е.И. Методы математической физики. М.: Просвещение, 1977. - 200 с.

48. Овсянников М.К. и Давыдов Г.А. Тепловая напряженность судовых ДВ С.-Л.: Судостроение, 1975. 256 с.

49. ОсиповаВ.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М.-Л.: Энергия, 1964. - 328 с.

50. Петриченко P.M., Петриченко М.Р. Конвективный теплообмен в поршневых машинах. Л.: Машиностроение, 1979. - 232 с.

51. Петриченко P.M. Математическое моделирование конвективного теплообмена как элемент автоматизации проектирования ДВС. Двигателестроение, 1980, № 9, с. 14-17.

52. Полоцкий И.В., Романов В.Г., Скрябин Г.Н. Установка для тарировки искровых свечей зажигания. Автомобильная промышленность, 1971, № 12, с. 10-12.

53. Полоцкий И.В., С1фябин Г.Н. Способы оценки тепловых свойств свечей зажигания. Труды НИИавтоприборов. Вып. 44. -М.: изд. НИИавтоприборов, 1978, с. 108-126.

54. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971. - 215 с.

55. Поспелов Д.Р. Двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением. М.: Машиностроение, 1971. - 536 с.

56. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. М.: Высшая школа, 1975. - 320 с.

57. Розенблит Г.Б. Особенности расчета и задания граничных условий цри моделировании температурных полей в клапане и крышке цилиндра дизеля. Двигателестроение, 1982, Ш 9, с. 21-24.

58. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. М.: Машиностроение, 1977. - с. 215.

59. Романенко П.И. Теплообмен и трение при градиентном течении жидкостей. М.: Энергия, 1971. - 567 с.

60. Румянцев В.Н., Скрябин Г.Н. К вопросу повышения стабильности тепловых характеристик свечей зажигания А 23 и А 17 ДВ. Автотракторное электрооборудование, 1979, 9, с. 5-9.

61. Светозарова Г.И., Сигитов Е.В., Козловский А.В. Практикум по программированию на алгоритмических языках. -М.: Наука, 1980. 320 с.

62. Свечи зажигания искровые. ГОСТ 2043-74. М.: Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР, 1974. -20 с.

63. Седов Л.И. Методы теории размеренностей и теории подобия в механике. М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1944. - 136 с.

64. Схфябин Г.Н., Минеев А.Н., Арустамов Л.Х. К вопросу подбора искровых зажигательных свечей к карбюраторным двигателям. Автомобильная промышленность, 1970, № 6, с. 9-II.

65. Славиньски 3. К оценке локальных значений параметров теплообмена со стороны камеры сгорания. Двигателестрое-ние, 1980, № 2, с. 58-59.

66. Ставров О.А. Перспективы развития применения на автомобилях принципиально новых видов двигателей и источников энергии. В сб.: Вопросы развития автомобильных транспортных средств. - М.: Транспорт, 1978, с. I05-117.

67. Стефановский Б.С. Теплонапряженность деталей быстроходных поршневых двигателей. М.: Машиностроение, 1978. - 127 с.

68. Сычев В.П. Исследование влияния процесса смесеобразования на показатели рабочего цикла газового двигателя. -Дис. . канд. техн. наук. Саратов, 1963. - 146 с.

69. Усанов А.Д. Исследование влияния основных параметров режимов эксплуатации автомобильного двигателя на условия работы свечей зажигания. Дис. . канд. техн. наук. - М., 1955. - 171 с.

70. Фильчаков Л.Ф., Панчишин В.И. Интеграторы ЭГДА. Моделирование потенциальных полей на электропроводной бумаге. -Киев: изд. АН УССР, 1961. 171 с.

71. Ховах М.С., Стефановский B.C., Новенников А.Л., Родионов В.А. Метод расчета локальных тепловых потоков в головках цилиндров дизелей. Известия ВУЗов. Машиностроение, 1972, №2,с. 190-192.

72. Цибизов А.В. Исследование процесса выделения тепла при сгорании топлива в карбюраторных ДВС. Дис. . канд. техн. наук. - Саратов, 1982. - 144 с.

73. Чжен П. Отрывные течения, т. 3. М.: Мир, 1973. -334 с.

74. Чиркин B.C. Теплопроводность промышленных материалов. М.: Машгиз, 1962. - 247 с.

75. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. - 742 с.

76. Экономика автомобильной промышленности и тракторостроения / под ред. Власова Б.В. и Каза Г.Б. М.: Высш. школа, 1978. - 328 с.

77. Юдин Ю.Н. Исследование процесса наполнения 4-х тактного автомобильного двигателя при работе на сжатом газес различными методами смесеобразования. Дис. . канд. техн. наук. - Саратов, 1956. - 147 с.

78. Юрьевский В.П. Условия работы автотракторных свечей и определение калильных чисел их. Дис. . канд. техн. наук. - Новочеркасск, 1949. - 156 с.

79. Beesch 0. Berteltung, and Ausuaht des Warme-urertes von Zundherzen fur Ottomotoren Boschtechni -SChe Berichte , 1972 47-51.

80. Bosch Super-Zundkerze mit erweiterem Warme-uertbereich-MTZ, 1977, 33 ,N2, s. 58.

81. S3. Federrath E., Fischer К ШгтеиеН und Worme-wertbereich von ZilndkcrzenrKraftfahrzeuytechnik , 1975, N3 , 3. 78 80 .

82. Si Federrath H. Methoden zur Bestimmu^ de$ Wcirmeviertes von Zmdkerzen-Hermstorf. techn. Mitt., {977, 17, N47, a t№-№.

83. Gory G. Les bougies, teurs particularltes,ел^/я/ Auto -vott , {972, WW, p. 31-46.

84. Mutter E Ziindschwiertykeiten durch He ben-schliisse an den Ziindherzen besonders bei Zweitakt-motorenKraftfahrzeuytechmh, Ш, Ж1, J34 J56.

85. Steiyrover H. Over bougies en ontstekinqs -problemenAutoen mo tor techn., Ш, 3?, Nl0,p.970-978.

86. Van den Pot E. Warme-overdrachtsprobtematiek in zutyerverbrandismotoren (H).-Schip en Werf, #70, 46, N24,p.508 -516.

87. Woschni 6. Experimented Bestimmunq des orttich qemittelten Warmeiiberqanpkoeffizienten im Ottomotor- N12,1981, 42 ,N6,sM9-m .