2. Теплообмен в сопряжении канавка-поршневое кольцо. Граничные условия теплообмена для кольцевой канавки поршня и кольца. Температура кольца

Одним из наиболее ответственных в двигателе моментов является процесс теплопередачи от поршня к кольцу. Очевидно, что среда, заполняющая зазор  масло (за счет явления смачиваемости). В данном случае можно рекомендовать к применению формулу, полученную В.М. Поповым:

. (1)

Здесь: P  текущее давление в контакте:

, (2)

где: D  диаметр цилиндра, b  ширина кольца,   нагрузка на кольцо.

. (3)

В формуле (3):

P_i = P_i-P_i+1  перепад давления на кольце;

  коэффициент динамической вязкости;

m_к  масса поршневого кольца.

E  приведенный модуль Юнга:

. (4)

B  коэффициент, есть функция суммарной высоты микронеровностей (h₁+h₂) и падает с ее увеличением.

Nu_к  контактное число Нуссельта:

. (5)

Здесь: _кт  искомый коэффициент теплоотдачи; (1 - m)  опытный коэффициент, отражающий наличие пустот в контакте; d  опытный коэффициент, характеризующий влияние максимальных высот выступов в паре; _c  коэффициент теплопроводности среды, заполняющий пространство между контактирующими парами.

Nu_м  число Нуссельта материала:

, (6)

где: _пр  приведенная теплопроводность материала:

. (7)

Поскольку нагрузка на кольцо есть функция угла поворота коленчатого вала, то и контактный коэффициент теплоотдачи также будет его функцией. Для получения осредненных за цикл ГУ теплообмена _кт необходимо осреднить:

. (8)

Для задания ГУ теплообмена для кольцевой канавки поршня используем величину , поскольку кольцо попеременно прижато к верхней или к нижней поверхности канавки. В качестве пограничной температуры обычно используют т.н. температуру кольца, которую принимают постоянной. Как показывают подробные расчеты, изменение температуры по телу кольца не превышает 5…10 К (по Г.Б. Розенблиту) и в пределах цикла практически не меняется. Обычно, для режимов внешней скоростной характеристики, принимают:

T_к = T_{ср канавки} - (10…20) К , (9)

где: T_{ср канавки}  осредненная по поверхности (и времени) температура кольцевой канавки.

3. Особенности нестационарного контактного теплообмена в сопряжении седло-фаска клапана

Выпускной клапан ДВС является самой теплонапряженной деталью двигателя. До 90 % тепла, подведенного к клапану, отводится при контактировании фаски клапана с фаской седла. По данным Г.Б. Розенблита, использование зависимости В.М. Попова в данном случае приводит к значительным ошибкам при определении интенсивности теплоотдачи между ними. Это определяется значительной нестационарностью данного процесса теплопередачи под действием переменного давления, ударной нагрузки при посадке и наличия инородных пленок на контактирующих поверхностях.

Путем анализа размерностей Г.Б. Розенблитом получена следующая зависимость:

. (1)

Здесь: _кт  искомый коэффициент теплоотдачи в контакте;

_эк  эквивалентная толщина межконтактного зазора;

_c  теплопроводность среды в зазоре (воздух или продукты сгорания), определяющая температура  средняя между фасками седла и клапана;

P  контактное давление, P = N/S_п;

N  нагрузка, S_п  площадь притирочного пояска.

. (2)

Здесь: d_кл  средний диаметр пояска клапана;

h_п  длина притирочного пояска;

  угол скоса тарелки клапана;

d_т  внешний диаметр тарелки клапана;

d_г  диаметр горловина канала;

d_c  диаметр стержня клапана;

P_г  давление газа в цилиндре;

P_т  давление газа в коллекторе;

P_з.пр.  давление от усилия предварительной затяжки клапанной пружины.

_в  предел прочности менее пластичного материала (клапанная сталь).

_пр  приведенный коэффициент теплопроводности контактирующей пары с учетом пленки сажи:

, (3)

Толщина пленки обычно составляет 1…3 мкм, а ее теплопроводность  0,5…0,6 Вт/м²К.

Для _эк Розенблит дает следующую зависимость:

. (4)

Вторая скобка учитывает относительное сближение поверхностей при сжатии.

Из обработки результатов многочисленных экспериментов:

, (5)

для выпускного клапана: A₁=1830, A₂=15,6 ;

для впускного: A₁=3420, A₂=1,30.

Коэффициенты в приведенной зависимости таковы, что интенсивность теплообмена для впускного клапана значительно выше, чем для выпускного, что объясняется значительно меньшим коррозионным износом поверхностей контакта и отсутствием паразитных пленок.

После несложных математических подстановок и действий окончательно выражение для контактного коэффициента теплоотдачи приводится к виду:

. (6)

Зависимость (6) справедлива в достаточно узком диапазоне изменения комплексных параметров P/_в и _с/_пр, подтвержденном экспериментально. Она годна только для определения интенсивности теплообмена на фасках седла и клапана.