Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

Огневое днище охлаждается с помо щью системы сверленых каналов. Как правило, крышки МОД с кла панно щелевой схемой газообмена имеют один выпускной клапан, раз мещенный в охлаждаемом корпусе.

Конструкции крышек МОД из менялись в зависимости от степени форсирования двигателя. Так, на двигателях фирмы Бурмейстер и Вайн с повышением ре исходная конструкция (рис. 9.55, а) была за менена составной крышкой (рис. 9.55, б), а затем новой конст рукцией крышки (рис. 9.55, в).

Крышки цилиндров МОД име ют обычно круглую форму с доста точно большим числом крепежных шпилек, равномерно расположен ных по окружности. Размеры кры шек с традиционным типом охлаж дения в зависимости от диаметра цилиндра D приведены ниже.

Головка цилиндра двигателя с воздушным охлаждением является одной из наиболее ответственных деталей, воспринимающих высо

кие тепловую и механическую на грузки. Неравномерное распреде ление температуры в отдельных элементах головки является причи ной возникновения больших тем пературных напряжений и значи тельных деформаций. Поэтому ос новная задача при конструирова нии головки – организация эффек тивного охлаждения. При этом сле дует отметить, что на долю головок приходится 60–75 % всей оребрен ной поверхности двигателя, охлаж даемой воздухом.

К конструкции головки двигате ля с воздушным охлаждением предъявляют дополнительные тре бования, обусловленные специфи кой воздушного охлаждения: соот ветствие площади поверхности ох лаждающих ребер количеству отво димой теплоты при заданном рас ходе охлаждающего воздуха, обес печение высоких аэродинамиче ских качеств оребренных поверх ностей. Для выполнения этих и не которых других общих требований, предъявляемых к головкам двига телей с любым охлаждением любо го типа, зоны головки с высокой и низкой температурой соединяют элементами достаточной площади поперечного сечения, что позволя ет получить хороший отвод тепло ты. Поверхности, омываемые воз духом, выполняют обтекаемой формы и располагают в соответст вии с направлением теплового и воздушного потоков. При этом межреберные каналы должны иметь достаточно большие площа ди проходных сечений при отсутст вии резких поворотов и застойных зон. Поток охлаждающего воздуха направляют в первую очередь на форсунку (свечу зажигания) и наи более нагретые зоны головки – вы пускной патрубок и межклапанную перемычку.

При одностороннем расположе нии патрубков (рис. 9.56) отсутст вуют трубопроводы со стороны входа охлаждающего воздуха, что при плотном прилегании стенок кожуха к краям головки приводит к снижению аэродинамических по терь в охлаждающем потоке. Пло щадь проходного сечения в цен тральной части головки с двумя клапанами на цилиндр сравнитель но мала для охлаждающего воздуха. Увеличение площади этого сечения обусловлено уменьшением шири ны газовоздушных каналов, вслед ствие чего ухудшается наполнение.

При разностороннем располо жении патрубков облегчается ком поновка впускного и выпускного трубопроводов и получение рацио нальной формы сечения патрубков. Однако в этом случае сложнее вы брать место расположения форсун ки, так как циркуляция воздуха в зоне ее расположения затрудни тельна. В головках с двумя клапа нами направление движения охла ждающего воздуха перпендикуляр но плоскости, проходящей через оси клапанов, что обеспечивает хо рошее охлаждение наиболее нагре той центральной зоны головки. В ряде конструкций направление движения охлаждающего воздуха составляет небольшой угол с плос костью, проходящей через оси кла панов (рис. 9.57).

Расположение охлаждающих ре бер может быть горизонтальным, вертикальным и комбинирован ным. При вертикальном располо жении охлаждающих ребер обеспе чивается хорошее тепловое взаимо действие нижней и верхней частей головки. Однако отливка в этом случае оказывается более сложной, а разместить значительное число охлаждающих ребер в наиболее на гретой центральной части головки

трудно даже при максимально воз можном отдалении патрубков друг относительно друга.

Горизонтальное расположение ребер обусловливает достаточные площади проходных сечений воз душных каналов между патрубками по всей высоте и хорошее соедине ние охлаждаемых элементов голов ки с ребрами, а также достаточную жесткость во всех плоскостях. Од нако для эффективного охлажде ния зоны межклапанной перемыч ки также необходимо раздвинуть внутренние стенки патрубков.

При комбинированном располо жении ребер предусматривают вер тикальные ребра между патрубками и горизонтальные по краям голов ки. В этом случае сочетаются пре имущества обоих рассмотренных способов оребрения. Вертикальное оребрение среднего туннеля, куда подается большая часть охлаждаю щего воздуха, целесообразно в го ловках форсированных дизелей.

Для более равномерного распре деления температур охлаждающие ребра располагают эксцентрично относительно оси цилиндра. Сопря жение ребер со стенками головки выполняют плавным для улучшения отвода теплоты и снижения мест ных напряжений. Для уменьшения температурных напряжений и ко

Рис. 9.57. Головка цилиндров с наклонным рас положением охлаждающих ребер

робления днища головки ребра иногда разрезают. Наиболее целесо образным с учетом технологических требований являются треугольная и трапециевидная формы ребер.

Высота ребер в наиболее нагре тых местах головки может достигать 50–60 мм. Дальнейшее увеличение высоты существенно не улучшает теплоотвод. Шаг ребер определяет ся степенью охлаждения и техноло гией изготовления. При перемен ном по высоте головки шаге мень шее значение последнего относится к нижней части головки. Однако часто шаг делают одинаковым по высоте головки. Шаг для литых не обработанных ребер составляет 6– 7 мм при толщине ребра 2–2,5 мм. С увеличением литровой мощности двигателей шаг следует уменьшать. В табл. 9.10 приведены ориентиро вочные размеры элементов ребер.

В двигателях с воздушным охлаж дением применяются как неразде ленные, так и разделенные камеры сгорания. Для осуществления более эффективного охлаждения головки целесообразно применять неразде ленные камеры. Использование до полнительной камеры больших раз меров значительно усложняет конст рукцию головки и затрудняет поступ ление воздуха в центральную наибо лее нагретую зону. Для улучшения отвода теплоты стенки головки, ок

ружающие камеру, выполняют утол щенными, а камеру – из жаропроч ной стали. В зависимости от способа закрепления головки цилиндров дви гателей с воздушным охлаждением бывают накладными и навертывае мыми. Первые крепятся к картеру длинными или короткими шпилька ми к специальным приливам цилин дров. При этом шпильки следует рав номерно располагать по контуру ци линдра. На двигателях с диаметром цилиндров 100–200 мм используют четыре–шесть шпилек на один ци линдр. При большем диаметре ци линдра число шпилек увеличивают. Навертываемые головки авиацион ных двигателей с принудительным воспламенением изготовляли из ста ли и соединяли их с цилиндром с по мощью резьбы с натягом. При навер тывании головку предварительно ра зогревали до температуры 350– 400 С. Резьбовое соединение с натя гом обеспечивало герметичность при работе двигателя. Рассмотренное со единение является неразъемным.

Высота накладной головки дви гателя с воздушным охлаждением составляет (1,25–1,80)D, а наверты ваемой головки (1,4–1,5)D. Высота головки дизелей с воздушным охла ждением равна (1,0–1,7)D.

Материал крышек (головок) ци линдров должен иметь плотную структуру, низкий коэффициент

сти днища головки не должна пре вышать 250 С вследствие значи тельного снижения (при ее даль нейшем росте) прочностных харак теристик и усиления релаксации температурных напряжений.

9.7.Моделирование теплового

инапряженно деформированного состояний головки (крышки)

цилиндров

9.7.1.Условия теплообмена при моделировании стационарного теплового состояния головки

(крышки) цилиндров

На установившемся режиме ра боты поршневого двигателя темпе ратурное поле головки (крышки) цилиндра практически стационар но. Циклические колебания темпе ратуры незначительны и распро страняются на поверхностные слои материала со стороны камеры сго рания, быстро затухая по глубине. Определение граничных условий теплообмена при моделировании теплового состояния головки (крышки) цилиндра является слож ной задачей вследствие многообра зия поверхностей головки цилинд ра, на которых имеют место раз личные виды теплообмена от кон вективно лучистого на огневой по верхности днища до режима по верхностного кипения на охлаж даемых поверхностях днища и выпускных патрубков.

В качестве граничных условий со стороны камеры сгорания и га зовоздушных патрубков использу ются условия теплообмена третьего рода. Коэффициент теплоотдачи г определяется по формуле (4.8) с последующим осреднением за ра бочий цикл двигателя. Распределе ние по поверхности днища локаль

ного коэффициента теплоотдачи можно принять в первом прибли жении таким же, как при расчете теплового состояния поршня. В ча стности, для дизелей с открытыми камерами сгорания изменение ос редненного за цикл коэффициента теплоотдачи гср по радиусу можно определить по формулам

При работе двигателя значи тельное количество теплоты, поми мо огневого днища, подводится к стенкам выпускного канала. За пе риод выпуска теплообмен в кана

лах головки цилиндра описывается формулой

(здесь wг – скорость газа; /г – кине

матическая вязкость газа); Pr /г aг

(здесь аг – температуропроводность газа).

При закрытом клапане теплооб мен в канале определяется колеба ниями давления газа и естествен ной конвекцией. В этом случае

Gr Φgl 3 T (Φ – коэффициент объ

/2г

емного расширения; l – длина кана ла; Т – перепад температур между газом и стенкой).

Полученные значения коэффи циента теплоотдачи осредняются по углу поворота коленчатого вала.

На температурное поле крышки значительное влияние оказывает теплообмен на боковых поверхно стях отверстий под клапаны (в пер вую очередь, выпускные). От кла панов, имеющих высокую темпера туру при значительном коэффици енте теплоотдачи между фаской и посадочной поверхностью, крышке передается значительный тепловой поток.

При определении стационарно го температурного поля крышки на внутренних контурах, соответст вующих отверстиям под клапаны, следует задавать средние значения параметров, характеризующих теп лообмен в целом за весь цикл – средний тепловой поток qLj, соот ветствующие ему приведенный ко эффициент теплоотдачи Lj и ре зультирующую температуру клапа

где гс, к – коэффициенты тепло отдачи для седла соответственно при открытом и закрытом клапа нах, в случае контактного теплооб мена имеют различные значения для впускного и выпускного клапа нов (см. гл. 8); &0, &З, ) – соответст венно продолжительность откры тия и закрытия клапана и длитель ность цикла в градусах угла пово рота коленчатого вала; Тс, Тгс, Тфкл – температуры соответственно седла, омывающей среды (газа или возду ха) и фаски клапана; F – отноше ние площадей контакта клапана (опорного пояска) и площади бо ковой поверхности днища на кон туре Lj.

Соответствующее приведение мож но выполнить и по средней темпера туре среды, омывающей контур Lj.

В качестве граничных условий наряду с коэффициентом теплоот дачи и средней результирующей температурой газа часто использу ют удельный тепловой поток q0. Средний в пределах детали тепло вой поток qϑ может быть определен в первом приближении по формуле

где kт = 4,27 и 7,6 соответственно для четырех и двухтактных дизе лей; k = 1,323103 для головок цилин дров; сm – средняя скорость порш ня; рк – давление наддува, МПа; – коэффициент избытка воздуха.

Подсчитав qϑ, следует оценить распределение потока по поверх ности, например, в зависимости от радиуса в случае днища крышки, т.е. определить локальные значе ния теплового потока q0, которые используют при расчетах.

Важным является и обоснован ный выбор граничных условий со стороны охлаждения. При умерен ных уровнях форсирования, когда температура омываемой жидкостью поверхности крышки меньше темпе ратуры насыщения Тs охлаждающей жидкости, для расчета коэффициента теплоотдачи использовали формулу

ж (300 1800wж )1163,, (9.28)

где ж измеряется в Вт/(м23С); wж – скорость движения охлаждающей жидкости.

Системы охлаждения современ ных двигателей характеризуются более высокими значениями ж по сравнению со значениями ж по формуле (9.28). Охлаждение кры шек цилиндров может происходить

в режиме вынужденной конвекции и поверхностного кипения. Коэф фициент теплоотдачи зависит от особенности обтекания детали при охлаждении.

В условиях вынужденной кон векции, характерных для перифе рийных зон днища и выпускных патрубков, может быть использова на зависимость

где St Nu – число Стантона; чис RePr

ло Re отнесено к диаметру подводя щего отверстия.

В конструкциях со сверлеными каналами рекомендуется формула

Nu 2,02Rem Pr 0,33 (x)0,15 , (9.30)

где x – относительная длина кана ла; m = 0,4x 0,135 .

По мере повышения температуры охлаждаемой поверхности режим вынужденной конвекции переходит в режим поверхностного кипения. Для крышки цилиндра в этом случае

критерий фазового превращения; r – скрытая теплота парообразо вания; Тs – разность температур насыщения и теплоносителя; l0( ( (() – характерный раз

мер (здесь – коэффициент по верхностного натяжения); pж и p0 – давление соответственно в контуре охлаждения и атмосфер ное; ( и Ψ – плотность соответ ственно жидкости и пара.

При незначительном превыше нии температуры охлаждаемой стен ки значения Тs преобладает режим вынужденной конвекции. В даль нейшем теплоотдача определяется совместным влиянием вынужден ной конвекции и поверхностного кипения, а коэффициент теплоотда чи определяется в соответствии с за висимостью (9.11).

Значения ж, получаемые по при веденным зависимостям, следует рас сматривать как ориентировочные. Они могут служить в качестве перво го приближения для задания локаль ных граничных условий при расчете температурного поля. Последние на значают с учетом результатов много численных расчетов, а главное, по экспериментальным данным, полу ченным на работающих двигателях. Вследствие ограниченности этих данных важное значение имеет реше ние обратных задач теплопроводно сти, позволяющее на основании тем пературного поля детали получить адекватное распределение парамет ров теплообмена по ее поверхности.

9.7.2. Математические модели определения теплового состояния головки (крышки) цилиндров

При расчете теплового состояния крышек (головок) цилиндров перво степенное значение имеет определе ние температурного поля днища. Сложность конструкции и высокая напряженность крышек цилиндров дизелей способствовали широкому распространению в двигателях раз личного класса и назначения конст рукций с плоским днищем. Расчет теплового состояния днища сводят к расчету пластины произвольного контура с системой отверстий при заданных условиях теплообмена (см. рис. 2.1) на поверхностях пла стины. Обоснованный выбор усло вий теплообмена является сложной задачей. Так, при расчете теплового

состояния крышки требуется знание температурного состояния клапанов

ивтулки цилиндра, контактирую щей с крышкой непосредственно или через прокладку.

При расчете клапанов и втулки требуется знать тепловое состояние крышки. Указанная задача решается созданием расчетной схемы (напри мер, полной конечно элементной модели) всего узла. Сложность такой модели обусловливает ее использо вание при выполнении расчетов на заключительном этапе проектирова ния, после расчетной оценки раз личных вариантов деталей ЦПГ.

Как и в случае других сложных деталей двигателей, при расчете температурного поля крышки ци линдра можно выделить ряд мате матических моделей, отличающих ся степенью детализации геометри ческих особенностей крышки и со пряженных с ней деталей.

При использовании простейших моделей расчет сводился к опреде

лению среднего температурного пе репада T Ψ по толщине огневого

днища от тепловой нагрузки (тепло вого потока q): T Ψ = qt/ (здесь t – толщина днища). Тепловой поток q определяли экспериментально. Бо лее современные модели анализа температурного поля основаны на численных методах расчета.

Принимая квадратичное распре деление температуры по толщине днища, задачу расчета его темпера турного поля сводят к определению

температуры Т0 срединной поверх ности. При этом основное диффе ренциальное уравнение задачи, по лученное с использованием соотно шения (2.12), и соответствующий функционал совпадают с уравнени ем (2.13) для стационарного случая

ифункционалом (2.19).

Если представить днище крыш ки в виде набора элементов, напри

мер, треугольного типа (рис. 9.61), то задача расчета теплового состоя ния днища будет заключаться в на хождении температур узловых то чек Т0i срединной поверхности. Учет локальности условий тепло обмена на поверхностях днища осуществляется заданием гранич ных условий теплообмена по зо нам, на которые разделены его по верхности, включая боковые по верхности отверстий под клапаны. Применительно к крышке цилинд ров двигателя типа ЧН26/26 с ис пользованием допущения о сим

Рис. 9.61. Двухмерная конечно элементная мо дель днища крышки цилиндра

метрии (рис. 9.61) выделена 21 зо на, в пределах каждой из которых условия теплообмена приняты не изменными (см. табл. 9.11).