автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Влияние зазора в сопряжении жаровой пояс поршня - цилиндр на температурное состояние поршней быстроходных транспортных дизелей

М>-горгжий" ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и " ордена Трудового Красного Знамени государственный "Технический университет им. Н.Э.Баумана

ВЛИЯНИЕ ЗАЗОРА В СОПРЯЖЕНИИ ЖАРОВОЙ ГОЯО ПОРШНЯ - ЩШЩР НА ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРШНЕЙ БЫСТРОХОДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

06.04.02 - тепловые дв- 'атели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи УДК 621.436.016.4 - 242.

Лошаков Павел Анатольевич

У

МОСКВА - 1993

Работа выполнена в п. о. "Автодиэель" на ордена Л-ниь- и ордена Октябрьской Революции Ярославском моторном

Научный руководитель - доктор технических наук.

проф^сор Е Д. Чешись

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор И. В. Алексеев

кандидат технических наук, доцент С. В, Смирное

Ведущее предприятие - НАМИ

Защита диссертации состоится " ''' •" '/* "7° 1994 г. в часов на заседании специализированного совета

К. ОБЗ. 16. ОБ "Тепловые машины и теоретические основы теплотехники" при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 107005, Москва, Лефортовская набережная, д. 1, корпус "Энергомашиностроение".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. К Э. Баумана.

/}тэьшы на автореферат в двух экземплярах, заверенные пе-чат-. просьба направлять по адресу: 107005, Москва, 2-я Бау-мановокая ул. , д. 6, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ученому секретарю совету К. 053.15.05.

Желающие присутствовать на защите должны известить совет письмами ваинтересованных организаций на имя председателя совета. | |

Автореферат разослан " " 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета /

к. т.н. .доцент У С. И. Ефимов

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ актуальность аасоты. Перед отечественным двигателестроением :оит задала увеличения выпуска дизельных двигателей при однов->менном улучшении их технико-экономического уровня. Важная роль гволится совершенствовании конструкции двигателя» а тек таеле шгаяропоршневей группы. Совершенствование ЦПГ является важней-гй частот работ по улучшению технико-экономических показателей гагателя в условитх форсирования я повышения моторесурса.

Проблема увеличения реоуроа я надежности двигателя в значи-глъной мере связана о тепловой напряженностью, в частности о 5еспечениен рационального температурного уровня в зоне первого зршневоги кольца. Температура этой зоны поршня оказывает значи-зльное влияние на характер, состав и интенсивность отложений, гжии трения я условия смазывания деталей 1ЩГ, а также определя-г требования двигателя к качеству моторного масла. Отсутствие спускаемых промышленностью высокотемпературных смазок делает ктуальной проблему снижения температуры поршня до уровня, опре-аляемого качеотвом применяемого иаола. Существующие конструк-орокие решения, способствующие онижешоо температурн поршня в оне первого кольца, требует зачаотую больших затрат а вмео-»е о ен не всегда являются достаточно эффективными, поэтому необхо-им поиск новых достаточно эффективных я не требующих значитель-нх затрат способов обеспечения рационального температурного ровня порошей в зоне первого кольца.

иждь ш&ахы. Повышение эсуроа транспортных дизелей путем оздейотвия на тепловое ооотояняе поршня о целыо обеспечения оп-ямальннх условий работа моторного масла.

«сходи н "«гим исс/гедстзния. При проведении исследований, апреаленных на разработку способов обеспечения рационального емпературного уровня порошей дизельных двигателей, использовано ь методы математического моделирования о применением отан-артных и вновь созданных пакетов программ, методы физического годелировання на разработанном статическом стенде для исследовали теплового оостояния деталей ЦПГ, эксперименты на работающих свигателях. а также методы статистической обработки и графического отображения результатов испытаний на двигателях и статическом тепловом отенде с использованием разработанных программ, кочеты параметров теплообмена и графическое отображение реэуль-'3"ов расчетов и экспериментов проводились на ПЭВМ серии гвм рс. 'асчетн температурных полей поршней различного конструктивного

х

водоянения проводились на ЭВМ серии ЕС, с использованием пакета программ "Градиент-

айУлиая аашащ.. Разработана негодика расчета параметров теаяообыева в надкольцевок зазоре жаровой пояс поршне; - цилиндр, достоверность которой получила косвенное подтверждение совпадением результатов раочетных и экспериментальных исследований температурного долга поршней двигателей Шо различного конструктивного исполнения.

QftaEiHws&aa иаишахь. Предложен относительно экономичный опособ снижения температуры в зоне первого поршневого кольца оптимизацией геометрии боковой поверхности поршня. ЗД^ективность способа зависит от степени доведенности поршня.

Разработан и изготовлен статический тешюьой стенд для исследования процессов теплообмена е деталях цилиндроиориневой группы двигателей ЯЫЗ» признаний изобретением а принятый к использованию на Ярославском моторном заводе.

На основе разработанной методики уточнены ГУ, используеше при расчете температурных полей порсшей дизелей ЯМЗ.

Созданные программы архивирования, математичеокой обработки и графического отображения результатов испытаний используются на Ярославском моторном заводе как при разработке новых, так и доводка существующих моделей транспортных дизелей ЯНЗ.

йаяеаяшш эд&кхы. Материалы диссертационной работа Ошш изложены ь докладах на. эаоеданиях кафедр« ЮШС и семинарах в МГТУ вд. Н. Э. Бауман« э 1965 - 1990 г. г. На 372-ои заседании Всесоюзного наудао-техшгчвского семинара по ЛВС в НГТУ ем. Н. Э. Баумана в дека ■„■ре liidS г. а на семинара " Прочность н териопрочность; тепловое оостольне ; тепломассообмен» двигатели Отирлтагэ" в марго ISIU г. сделана доклада о влиянии геометрических параметров поришее u гидьа цилиндров на тепловое состояние деталей ЦПГ дизелей ЛЫ5. Материалы диссертационной работы были заслушан» па ааседании техннко-вкономическогс совета Управления главного конструктора ЛНЗ а шона 1990 г. Диссертационная работа признана актуалы.-й к рекомендована к защите.

пус/шшшии- По результатам теоретических и окепэрзыенталь-ш исследований температурного состояния деталей ЦПГ двигателе! ЯКЗ автором опубликовано 7 отатей ь технических журналах, по-чеан авторокае свидетельства на 3 изобретения, поданные автором или о его участием 4 предложения признана рационализаторскими, и& них ьадаш удостоверения в том, что эта предложения при-

г

няти к использованию в п. о. "Автолззель" яа ордена Ленина я ор-ленч Октябрьской Революции Ярославском моторном заводе.

йгшшшя и. '25 "ей яайаиы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений и списка литературы; содержит 4С.5 етрашт текста, 5 9 рисунков и.описок литератур.« из % 7 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Ва вгздгшш доказана актуальность работ по теплообмену в налкольпевон зазоре поршень - цилиндр, оказыващеиу значительное влияние на температуру поршня в зоне первого хольпа и условия работы моторного масла.

а оэр.аай сама выполнен анализ расчетных а экспериментальных исоледованлй по определению теплового состояния поршней различных двигателей, который свидетельствует о тоц, что теплообмен й аалкольцевок зазоре жаровой поло поршня - цгогандр оказывает значительное влияние яа температурное состояние поршня, особенно в гоне первой канавки <-т. Так при ширине радиального надкольпе-еого задора л » 0,2 ¡гн„ соответствующей нормальному техническому состоянию двигателя 6ЧН 2Р21, к боковой поверхности головки цорпгпя подводится II* от теплота, подведепной к днищу поршня, а при износе деталей ЦПГ и зазоре & » 0,5 кн - 25«. Температура поршня 1П1 возрастает при этом на 45 С. При номинальном режиме работы двигателя 84 11У14 СЯНЗ-23Ф через боковую поверхность головки поршня отводится 16,7* теплоты,- воспринятой поршнем, причем жаровюс пояоон - 8,7*.

В то же время при определении температурного состояния порнней методами, основанными на решении уравнения стационарной теплопроводности, граничные условия ^ГУЪ теплообмена, на поверхности жарового пояса поршня задаются обычно без достаточного обоснования. Величина коэффициента теплообмена между поверхностью жарового пояса и средой в кадкольцевом зазоре «" меняется в широких пределах, причем, поверхность .жарового пояса у одних авторов рассматривается как тепловоспрянлнамкая, у других - как теплоотчэкщэл. Модели теплообмена в зазоре жаровой пояс поршня - цилиндр о целые получения параметров теплообмена («счетными методами разработаны Б. Я. Гикцбургем, А.Н. Устиновым, А. И. Бучйнковнм, Н. И. Бородасточнм, А. В. Алиевым, Л. С. Орлиным, Н. Д. Ча ¡¡новым, Р. К. Петриченко я др.

Большинство из имеющихся а литературе коленей теплообмена в надкол тег см аазоре с различней степенью пр'/б.и'хения к реал г гам

условиям опнснваюг процесс конвективного переноса теплоты от газов, прояикаищиг в зазор из камере огорания на такте сгорание -расширение, к поверхностям жарового пояоа поршня и сопряжетчого о ник 5паотка цилиндр, не рассматривая процеос теплопередачи от порсшл к цилиндру через среду в зазоре. Принятое авторами допущение о ооосвои расположении поршня и цилиндра позволяет им рассматривать зазор, образуемый указанными поверхностями, в качестве канала в форме кольцевой или плоской щели, по которой под воздействием некоторого перепада давления осуществляется ламинарное течение газа из яадпоршневого пространства в сторону картере, двигателя. Следует отметить, что допущения, упрощаыцие модель к дакище возможность использовать упрощенные Формулы для описания процесса конвективного теплообмена, часто принимаются авторами без достаточного обоснования. Кроне того в моделях некоторых авторов используются эмпирические формулы, структура которых является недостаточно обоснованной и результаты расчета не могут быть доотаточно надежными. На ооновании выполненного обзоре определена цель диссертационной работы и сформулированы задачи исследования.

Цель диооертационно8 работы - повышение ресурса травопорт-нцх дизелей путем воздействия на тепловое состояние поршня о целый обеспечения оптимальных условий работы моторного -аола. 1ля достижения этой пели решалиоь следующие задачи:

1. Разработка уточненной математической модели теплообмена в зазоре жаровой пояо поршня - цилиндр.

2. роздание алгоритма и разработка программы расчета параметров гшюобыеиа в надкольцевои зазоре.

3. Доследование влияния геоыетричеокнх параметров сопряжения каровой пояо поршня - цилиндр я параметров рабочего про-цеоса не параметр« теплообмена в надкольцевом зазоре.

4. Расчет методом конечных элементов сЩ£3> температурного поля порошей двигателей ЯМЗ о попользованном в качеотве граничных услозиё теплообмена на поверхности жарового пояса параметров, рас : штанных по разработанной методике.

5. Проведение экспериментальных исследований о целш проверки соответствия расчетных температурных полей поршня температурам, замеренным на поршнях работающих двигателей.

6. Разработка практических рекомендаций по совершенствованию конструкции поршней быстроходных транопортных дизелей.

Ей вг-агга смай представлена математическая модель тепло-

иена в наякольцевои зазоре поршня и результат расчетных ,-следований параметров теплообмена в надколъцевых зазорах 1зельнкх двигателей.

Теплообмен в надкольцевои зазоре - сложный процеоо, ^условленный о одной сторона теплоотдачей от рабочих газов, хишкамщнх в зазор со отороны камера огорания, к поьерхноотя ярового пояса поршня н стенке цилиндра, о другой - теплоотда-' эй от боковой пог рхности поршш через среду в зазора к отенке ялинлра. Локальнооть процеооов теплообмена по участкам поверх-ости и.неотационарнооть этих процеооов на каждой аз участков а ечегше тлела ооздают значительные трудности при моделирования, оотону параметр« теплообмена, необходимые для задания ГУ при асчете стационарного температурного поля поршня, определялись о спользованием упрощенной модели, описыващей пропеоон теплооб-ена о приближением, достаточным для получения результирующих за икя значений указанных параметров пригодных для практического опользования. В отличие от описанных в литературе моделей, аосматриваювщх лишь процеосн конвективного подвода тепла от рэг очих газов в падколздевок зазоре к поверхности жарового пояса оратая, в разрабатываемой подели рассматривались и процеосн от--ода тепла от этой поверхности к повврянооти вилнндра, Иопользо-ание модели установивиегооя изотермического течения ламинарного , ютока несжимаемой жвдкооте применительно к иадпоршевону зазору юзволяет получать приемлемее по точнооти- результата.

Величину и направление реа/льтируицего за цикл теплового ютока на поверхности жарового пояса можно определить, составив гравнение баланса тепла для этой поверхнооти за цикл. Поэтому 'водообмен в надкольцевои зазоре бал уоловно разделен на три пе-зиода- конвективный подвод тепла к поверхности жарового пояса 1ри выравнивании давленая по длине надкольцевого канала в про-leoce сгорание - расширение, подвод тешга от газа утечки, отвод гепла к поверхности противолежащего участка цилиндра.

Рассмотрение процесса теплообмена в надкольцевом зазоре на-ишается с участка индикаторной диаграммы, соответотвунцего периоду быотрого сгорания и наибольшей интенсивности конвективной теплоотдачи от газового потока в надкольцевом зазоре к псверх-яооти жарового пояса поршня.

Решение задачи определения..параметров теплообмена газового потока со стенками плоского канала широтой й и длиной i, в Jopwe которого с достаточным приближением может быть приставлен

шдкольаевой зазор, связано о рядом допущений. Температур» стенок канала принята равной среднеарифметической температур* поверх-

пояса поршня tn и противолежащего участка ич

ноотей жарового линдра гц .

£>м определения средней по сечению канала скорости течении » использована известная формула определения потерь давле-

Р-1 ^ ч>

2 <1

а

< - коэффициент трения; о - плотнооть газа в канале, кг' м*. » гд - гидравлический диаметр плоского канала, м. Используя для определения < закон сопротивления « к» « ав, где кв в щ л^у у, после ряда преобразований получили расчетную формулу:

р«с

газа ния

где

с2>

и /о.

исполь-

с4>

4Я v I р

здеоь v - кинематическая вязкооть газа,

Для определения оредненаооовой температуры газа зовано решение уравненення энергии

ai г?»,

U — <• в -- .

* Ох <j>v

Решение сф в форме рядов имеет вш-

- 1 " S. „Vе- Í В _а Í х ■

в н - • 3 ) —- охр I - - < —

t - t í Э Ре А

* 1И r>"D г

здеоь tB- максимальная за цикл температура газа в цилиндре; tm~ ореднеарвд&етическая' Тешцратура отенок канала; fe ■ я» рг - число Пекле;

рг » о, 72 - число Прандтля для газов в надкольцевом зазоре. Величины ооботвешшх значений я коэффициентов вп в задаче о теплообмене в плоском канале при постоянной температуре стенки приведены в монографии Б. С. Петухова.

За определяющую температуру газов при раочете параметров тедлооСмева между газом в зазоре и поверхностью жарового пояоа поршня принималаоь оредяееитегральная температура газов

г. ср.

Среди ¡¡интегральное чводялооь по формуле'

Mu - -

■ - Г t 4к .

X J

а

по длине канала

СБ»

число Нуооельта вы-

Í- Р. h

in е

По найденному значению Ям определялись

<6>

ореднеинтеграл ьный

длине канала коэффициент теплоотдачи

йи Л

«,. . ---с?>

<1

э

и величине коэффициента теплопроводности газа в зазоре ответствувлцей температуре tr ср и плотность теплового потока газа в зазоре к поверхности жарового пояса ч'. а ■

• *'С *„ - ^.ср.» - «* • «в> '

В яроцесое выравнивания давления газа по длине налкольцево-канола теплоотдача к поверхности жарового пояса поршня п «исходит на участке длиной 1' , где температура газа выше тек-ратуры поверхности поршня Время, теплоотдачи 'сш л " * . количество тепла, переданное в процессе выравнивания давления, гределится выражением^ О^ в д » ч', д го.л. *».д. •

Кроме тепла, переданного поверхности жарового пояса в про~ юсе выравнивания давления в надкольцевой зазоре, к этой по-¡рхнооти передается теплота от газа утечки в картер через коль-!вое уплотнение. На двигателях ЯНЗ основная утечка газа в кар-;р начинается за 10 п. к. в. до БИТ на такте сжатия и заканчива-гся через 30-60 п. к. в. после ВИТ на такте сгорание - расшиг«-ае. За начальную температуру гага утечки в первой приближении эинята ьут » с ♦ г^» ✓ г, а температура газа на выходе из лдкольцевого зазора принята равной среднеарифметической темпе-гтуре отеиок канала . По известному -расходу газа утечки определялось количество теплоты, отданной газом утечки тенкам надкольпевого канала и, в частности, поверхности жарово-о пояса поршня .

Вытесненный в процессе выравнивания давления из надкситьце-ого зазора в надпоршневое пространство свежий заряд в расход аза утечки не входит, хотя заместивший его рабочий газ пе~ едал свою теплоту стенкам канала. В связи о этим суммарное ко-тпество теплоты, подведенное за цикл к поверхности жарового пока поршня ( определится из выражения:

о* ■ о* ♦ о- сз>

N ». д. ут.

Процесс подвода теплоты к поверхности жарового пояса про-[сходит до тех пор. пока температура газов превышает температуру юверхпости поршня при более низкой температуре газа начк-

юется процесс теплоотдачи от жарового пояса поршня к стенке шг-ншдра через среду в зазоре.

При движении вниз от ВИТ масло, сказавшееся над верхним

компрессионным кольцом, собирается на верхнем торце ъгого кольца, заполняя надкодьдовой зазор и перемешиваясь о газами в зазоре образует газомаоляную эмульсию. Скорость перемещения птай емульоик относительно поверхности жарового пояса пормая невелика, йовтому для опноания процесса теплоотдачи от этой поверхности к поверхнооти цилиндра через среду в зазоре использованы форыулы теплопроводнооти.

За температуру теплоотданцей поверхнооти принята средне-арвфцетйчаокая по лише жарового пояоа пориая температуре 1П, а среда в зазоре для определения ее термического сопротивления представлена состоящей аз олоев масла и газа, толщина которых определяется количественным соотношением масла и газа в зазоре.

Учитывал результаты работ по определению толщины масляной пленки опоообной удерживаться без оползания на зеркале цилиндра работающего дизеля, полагали, что при ширине надкольцевого зазора 0 < д 5 , где ьта1< - 50 мкм - слой масла репный сумме максимальных толщин слоев масла, способных удерживаться на поверхностям, поршня и цилиндра, зазор полностью заполнен маслом о теплопроводноотйВ"

При величине Д > ь^** * Ие»ду масляной пленкой на поверхностях жарового пояоа поршня и цилиндра появляется газовая прослойка толщиной 5 » Д - ьм1> теплопроводность которой лг. Считая процеоо теплопередачи от жарового пояса поршня к стенке цилиндра квазиотадионарным и одномерным, нопользуя формулы теплопередачи через плоскую отенку, проводимость ореды в зазоре ь определял? ез выражения :

г — . с 10»

Количество теплоты, отведенной в единицу времени от кадколь-цевой час|ги боковой поверхности порлня площадш , к отенке цилиндра через ореду в зазоре, определится выражением:

| «и»

Полагая, что тепло по всей поверхности жарового пояоа под-воднтоя <' одинаковой ннтейоньностыа величина которой опре-

делена по' формуле с 5>, величину в направление результирующего за цикл теплового потока в надкольцевом зазоре определяли из уравнения баланса тепла подведенного от газа к поверхнооти жарового яояоа „ и теша, отведенного тепловым потоком к отенке цилиндра через ореду в зазоре-

■ %сV • с12>

к

При «том время подвода тепла в цикле, продолжительность которого определяется выражением т4 » Q* i ' п>. Величина суммарного теплового потока, Вт, равна

О'т ♦ О'СТ - 1)

<4 - -i-í—i—11—— . с I3>

а направление теплового потока определится знаком перед этой величиной; если Q¿ > 0 , результирующим за цикл является отвод тепла от поверхности жарового пояса поршня к поверхности цилиндра через среду в зазоре; при отрицательной величине Qj результирующим за цикл будет подвод тепла от газов в надкольЦевом зазоре к поверхности жарового пояоа поршня; при Qj. - 0 имеет иеото баланс подведенного и отведенного тепла.

Определив плотнооть оумиарного теплового потока, Вт^м2, из выражения - ✓ F¿n, можно рассчитать величину результирующего за цикл коэффициента теплоотдачи v , Вт' си К> •

в. - , с 145

At

здеоь 4t - величина температурного напора^ - in- t при q¿ > 0 и ¿t - tn - V.o~P. при < 0-Разработанная методика расчета параметров теплообмена в надкольцевон зазоре позволяет учитывать как процессы подвода тепла от газа, проникающего в зазор из надпоршневого пространства, так и отвода тепла от этой поверхности к сопряженному о ней участку поверхности поршня через среду в зазоре. На основе, описанной методики были разработаны прикладные програнны для расчета параметров теплообмена в надкольцевои зазоре и графического представления результатов расчета.

Грефпси, отображающие зависимость параметров теплообмена от ширзкн задколъцевого канала й при различной дляке жарового пояса 5 и параметрах рабочего процеооэ;, соответствуйкдх комгаль-нону режыу работы двигателя 64 13^14 сяй3-235>, представлены па рпо. I. Вадао, что пря * ® 10 мы п а » О, I мм шее? ыеото баланс теплоты, прк меньшей ширине зазора результирующим за вдкл является отвод теплота от поверхвоотн жарового пояса к стенке цилиндра, % пра болшей вшрине - Подвод тепла от газа в газоре. В области шлшс зазоров влияние их величины на параметра теплообмена более интенсивно.

a ineiíea салвл рассматриваются методы расчетпкх и экспериментальных койкеаованнй температурного еоотояння поршней дизельных двигателей ЯНЭ, использованные в разработанной методике.

а

§ з чомг »ими № В i зжы я Xth um 3 8 'И0 ими хвиы ou'tun »-I IMA s ГШ 3 WUU ÄÄÖJ3U КЭ1 « ИЯ UdniMOJOi S 3 8 8

t я <ï î 6 ï

ч 1 2 Я pg

s II

* î i

? il

N •о 1С ° Œ з «*

2 Í I w

\ \ V

\ V ,8 ej 'o К y

\ \

§ П ! S Ä S § 8 8 S S s s

Э 'МЭШЧ 3U1H» • Э H1J1J змия ИИ 3 'ЫШЖЧ 3)М1ШШ э bixjooaj «

RWU МШМЭШЫ мимэиш 0-1 в «MS1WU01 WMU WUHWim*

щъ

N JOJXUJMMOl ««UttMO

С3|!в1|§98

. ы

«ГЗШЗИШ «tKUNCO*

so

Pue. 3 ПРОШЬ БОКОВОЙ поверхности ПОРШНЯ

X ф

исхсшя лиоемки

Рис. 4

Темлерсшура поршней при нопиншюмои рвхинв рабогон йЬигатвл* ЯИЗ 12ЧН 14/1^

X - c*puûHo«o ф - 0Па«н0*0

При расчетах температурного поля поршня для решения отацио-нарной задачи теплопроводности в вариационной постановке иополь-зована конечноэлементная процедура в ооесюшетричнон варианте, реализованная в пакете прикладных программ Градиент-2. Применение двумерных 3-х и 4-х узловых элементов при разбивке модели обеспечило достаточную для практических расчетов точность. ГУ теплообне. л определялись на основе изложенной методики и формулы Вошнн ©"использованием результатов термометрии деталей ЦПГ ва двигателях для корректировки величин принятых ГУ. При этом расхождение результатов по температуре во всех контрольных точках не превышало 2-Зя. Предотавлены подобранные таким образон ГУ теплообмена на поверхностях поршней двигателей ЯМЗ 84 13^ 14 и 12ЧН IV14 л полученные расчетом- температурные поля, соответствуйте номинальному режиму работы этих двигателей.

Экспериментальные исследования выполнены на отатичеоком тепловом стенде, позволяющем моделировать процеоо теплопередачи от поршня к цилиндру при различных положениях поршня, со^т-ветствутадих фазам его движения в цилиндре реального двигателя с перекладке поршня^.

Стенд имеет жаровую камеру для выработки горячего газа, который по трубопроводам подается в нагревательную камеру и, отдав часть теплоты деталям исследуемой ЦПГ, удаляется из нее по выпускному трубопроводу в атмосферу. Топливо в жаровую камеру подается шестеренчатым насосом по топливопроводу через фороунку, сжатый воздух - из ыагиотрали. При запуске установки тошшвовоз-душнал смесь воспламеняется в жаровой камере запальной свечой пускового подогревателя, электрически связанной о индукционной катушкой. В сиотему охлаждения отенда включен теплообменник для поддержания заданного уровня температуры охлаждающей воды, раоход ее замеряется соплом Вентури о дифференциальным манометром, а температура на входе в полооть охлаждения цилиндра и. на выходе из нее - хром ел ь- копел евыми термопарами.

Встречно направленные подвижные упор«, установленные в цилиндрическом корпусе стенда и разнесенные по высоте гильзы цилиндров, позволяют придавать поршню относительно гельзы положения, соответствующие перекладке поршня в .цилиндре реального двигателя. Задавая необходимые положения поршня и уоловия теплообмена, предусмотренные программой испытаний, проводили соответствующие измерения.

Б разделе, посвященном описанию методов экспериментальных

1 с

исследований на работающих двигателях, приведены окоростнне характеристики двигателей ЯМЭ различного конструктивного исполнения и дано описание моторного отенда, устройств и приборов, применяемых при испытаниях.

Описаны применяемые при термометрии методы замера температуры деталей ЦП Г измерителями максимальной температуры сИМДО и хромель-копелевыми термопарами с использованием для электри- • ческой связи термопар о измерительной аппаратурой контактных то-коо"емников периодического включения и 12-ти точечного рычажного токоо"емника непрерывной связи. Проведена оценка погрешности измерения, в результате которой установлено, что при использовании термопар о токоС'екникои непрерывной связи и электронного вольтметра погрешнооть измерения температуры поршня не превышает 2,66«.

. В чггигйтая сдм* проведена сравнительная оцешса результатов расчетных и экспериментальных исследований температурного состояния поршней двигателей ЯЫЗ при различной величине надкольцевого зазора.

С помощью МКЭ о использованием определенных по разработанной методике ГУ на поверхности жарового пояоа рассчитывались температуры поршней при различной ширине надкольпевого зазора А . На рас. 2 показано изменение величины температуры в характерных точках поршня при изменении ширины надкольцевого зазора в пределах 0,05-0,26 мм при неизменной высоте жарового пояса поршня а . Из рисунка видно, что наиболее интенсивное изменение температуры поршня наблюдается при малой величине зазоров, когда преобладавшим является процесо отвода теплоты от поверхности поршня к цилиндру, при л > 0,15 мм температура поршня при постоя, аом раоходе газа утечки остается практически неизменной.

Исследования на статическом тепловой стенде подтвердили значительное влияние радиального зазора поршень - цилиндр на температурное ооотояние деталей ЦПГ.

Результаты расчетных и отендовых исследований проверялись на работающих двигателях ЯЫЗ, в цилиндры которых устанавливались поршни о геометрией боковой поверхности, обеспечивавшей различную величину надкольцевого зазоре. Термометрия поршней о различней геометрией боковой поверхности поршня показала, что расхождение в результатах эксперимента и расчета температурного поля поршней о ГУ на поверхности жарового пояса, полученными по разработанной методике, не превышает Температура поршня,

фюгь боковой поверхности которого бил изменен в соответствия о рекомендациями, основанными на результатах расчета по разработанной методике с рис. 3>, при номинальнок режиме работы двигателя 12ЧН 14'14 снизилась в зоне первого кольца на 18-20 С с рис. . Проведена сравнительная опенка, эффективности различных конструктивных метмприятий, способствующих снижению температуры поршш в зоне первого кольца' 11Ц, п.тазавгаая, что эффект снлжения температуры предлагаемым споообом выше эффекта, иолучаемс го от охлаждения порпшя опрыскиванием масла, на 16' при значительно меньших затратах на изменение конструкции двигателя.

Значительное влияние ширины надкольцевого зазора в области минимальных его значений на температуру пориня подтверждено тер-«симметрией да работавдих двигателях. При обеолеченют минимальве допустимой ширины надкольцевого зазора получено снижение тен-пературн печапл двигателя 8'Ш I3-'I4 и замедление интенсивности старения моторного масла.

Ё стадажчии показан общий вил статического теплового с ж да, изолинии температур поршней различных модификаций двигателей, полученные расчетом, вид приборного комплекса бокса испытательной станции ЯМЗ, список опубликованных работ, копии свидетельств на изобретения и рационализаторские предложения, а Также акт внедрения изобретения.

выводи

Т Разработана методика определения ГУ в надкольцевом зазоре жаровой пояс порпшя - цилиндр при расчете температурных полей поршня. Лоотовериооть методики получила косвенное подтверждение хорошим совпадением температуры поршней полученной рао-четои с результатами термометрии на статическом тепловом стенде и работающих двигателях.

2. Предложенное снижение температур» в зоне первого поршневого кольца оптимизацией профиля боковой поверхности .поршня требует менитах затрат , чем тралидионые методы снижения температуры, хота резерв сизженил температуры определяется степенно доверенно птк поршня и его величина для поршней различного кон-структя?ггого исполнения неодинакова.

3. Разработан и изготовлен статический тегловой стенд дня исследования процессов теплообмена в деталях ЦПГ двигателей ЯМЗ, ¡гриякапуй и^оОрст^кием я принятий к использованию на Ярославском м.тг</ркен i'<поде.

! г.

4. При непосредственном участии автора на ЯМЗ внедрен метод замера температуры деталей специальными измерителями с MTiO, рабочий веществом которнх является облученный кзрбяд ¡фемкил. Этот метод не требует использования токоо"емных устройств для термометрии подвижных деталей и обеспечивает получение шфзрмашш об их температурном состояния при доводке новых моделей двигателей в более сжатые ороки, чем электричекие методы.

б. В результате выполненных исследований на работающих двигателях автором подучены экспериментальные данные о влиянии на температурное' состояние деталей двигателей ЯМЗ параметров рабочего процесса, материала и конструкции деталей, а также об ¡эффективности различных способов охлаждения деталей двигателей.

6. Разработанные автором программы расчета параметров теплообмена а надкольцевом зазоре н программы графического отображения результатов расчетов а эксперинентальшге зависимостей могут с.¿тавной частью входить в комплекс программ, испольэуемнй на ЯНЗ при создании новых и доводке сущеотвувдих моделей двигателей.

СПИСОК ЩУБЛШШВАНШХ РАБОТ

1. А. о. № 1219935, СССР, НИИ о 01. Способ испытания головки блота двигателя внутреннего огоранил н устройство для его осуществления' П. А. Лощаков сСССР>. - » 3704637-- 25-Û6, # 3669076^25-06. " Открытая. Изобретения... - 1986. - #11. -С. 199.

2. А. о. S 1693422, СОТ, НИИ <з 0L Стенд для исследования теп-доыс процессов з аадипяропорзшсвсй группе двигателей внутр aero сгораная'-П.A. jïoeçucob <ОССР>,- » 4739466^06.'-'Открытия. Изобретения... - 1991. - МЗ. -С. Î6I.

3. Лоцакоь П. А. Конструктивные иерепрнятяя по снижения тениз-ратури а зоне первого пориш&еогп код та дизелей ЯЛТУ' Цвн-гателеитрсепие. -1990. - № I. -С. 16-17.

4. Лоцаков П. А. деловая теплообмена в зазоре надкольпеЕал чаегь ^боковой поверлмоотя поршня - гальза цилиндря/-»' Лвкга-телеотроеяие.-1990. - № 6.-С. 5-7.

Ó. Лощакоь П. А. Интоаояфик&пия теплопередачи от пораяя к гильзе цщща одобрением охлаждаемой поверхности гилин^Язи-гателсотрсекие. -1990. - » 9.-С. 67-69. 6. Лощаков П. A. Cveos для исследования процессов тепяопередячн

1в

в ЦДГ ДВС'/Двигателестроение.-,199а - * 1а -С. К-16.33.

7. Лощаков П. А. Результата раочетво-екопериментальных исследований температурного состояния гильзы цилиндра двигателя 84 13-' М^-'Двигателестроение. -1991. - * I. -а 49-61 » В. Бойков Д. В., Красников В. Н, Лощаков И А. Влияние профиля боковой поверхности поршня на условия работы и старение мо-торлого насла^/ОСттая и технология топлив и масел. -1992. - * 7. -С. 21-24.

9. Лощаков П. А. Уточнение методики и результатов расчетного исследования условий тешюобена в зазоре жаровой пояс поршня - цилиндр югеелл'-'Двигателестроенпе. - 1991. -V 8-9. -С. 3-6.

Зак.

Об"ем I п. л.

Тираж 100 екз. Подписано к печати

Типография МГТУ им. Н. Э. Баумана