книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник

Тогда температура поверхности стенки со стороны подвода теп­ лоты

Температура поверхности стенки со стороны теплоотвода Г ст2

может быть определена из уравнения теплопроводности через стенку

поверхности стенки слоя отложений (например, накипи на по­ верхности втулки цилиндра, лако- и нагарообразования) коэф­ фициент теплопередачи уменьшается, а термическое сопротивле­ ние возрастает тем больше, чем меньше теплопроводность слоя. Соответствующие изменения претерпевают тепловые потоки, тем­ пературные градиенты и температура стенки. С образованием, на­ пример, слоя накипи (А = 1,0-1,16 Вт/м-К) толщиной в 1 мм

тура же поверхности со стороны газов возрастет с 227 до 257° С (на 14%). Подобное повышение температуры зеркала цилиндра

могло бы привести к резкому ухудшению условий смазки, уси­ ленному лако- и коксообразованию и повышенному износу.

Характерен пример, показывающий влияние лакообразования на внутренней поверхности днища поршня, охлаждаемого мас­ лом, на его температуру. После 670 ч работы двигателя температура в центре днища поршня вблизи от внешней поверхности из-за лакообразования на поверхности со стороны охлаждающего масла увеличилась на 150° С. На кромке днища температура достигла значений, предельных для чугунных поршней.

Наличие слоя материала с низкой теплопроводностью со стороны газов может значительно улучшить температурное со­

стояние деталей. Это используется, например, при конструиро­

вании поршней (накладки из жаропрочной стали, керамические

покрытия и т. п.).

§ 2. ТЕПЛООТДАЧА ОТ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Условия теплообмена

Работы В. Нуссельта, Н. Р. Брилинга, опубликованные 40— 50 лет тому назад, сыграли большую роль в развитии теории двигателей внутреннего сгорания и длительное время служили

428

базой для исследований в области теплообмена (Б. Г. Либрович, Н. И. Брызгов, В. Н. Иноземцев и др.). По мере развития тео­ ретических наук, расширения возможностей экспериментальных исследований и более полного проникновения в физику процессов, происходящих в цилиндре двигателя, появилась возможность разработки все более научно обоснованных методов расчета теплообмена. В последующие годы появилась серия работ,

авторы которых на основании теории подобия и результатов последующих исследований подходят с новых позиций к оценке

теплоотдачи от рабочего тела к стенкам цилиндра (А. А. Чирков, Д. Шиткей, В. Д. Аннанд и др.).

Для расчета теплоотдачи от рабочего тела к стенкам, воспри­ нимающим теплоту, пользуются законом Ньютона

Q = a ( T - T cr)F .

В общем случае в цилиндре двигателя теплоотдача к стенкам осуществляется конвекцией QK, лучеиспусканием газов @л г и

пламени <?л п

Qs — Qk + Qn. г + Фл* п = (а к. г + а л. г) {Tr Tcr) F Д- + а л. п (Тп — Г ст) F.

Коэффициенты теплоотдачи зависят от большого количества фак­

коэффициент теплопроводности, вязкость, плотность и удельная

по фазам рабочего процесса и по элементам тепловоспринимаю­ щей поверхности.

В процессе наполнения велики скорости движения рабочего

тела относительно стенок, переменно его количество; давление и температура изменяются сравнительно мало. За период сжатия

скорость w заметно снижается, велико изменение Т г и р г. В эту

фазу рабочего процесса теплообмен осуществляется в основном

за счет конвекции (Qs *=« QK).

Впроцессе сгорания топлива и расширения теплоотдача

происходит за счет конвекции QK, лучеиспускания газов фл. г и факела пламени фл п при изменяющихся составе рабочего тела,

его давлений и температуры (Qs = Q K+ Q „ . Г+<2Л. п)- В этот период

429

теплообмен наиболее интенсивен, его характер, распределение по времени определяются особенностями динамики тепловыделения. Превращение топлива в конечные продукты сгорания происходит за очень короткое время и связано с рядом промежуточных реакций. Гидродинамическая обстановка в цилиндре в этот пе­ риод сложна и недостаточно изучена. Вихревое движение основ­

ной массы заряда, образовавшееся в процессе наполнения-сжа­ тия, претерпевает значительные изменения и дополняется микротурбулизацией во времени сгорания топлива. В рассматриваемый

период, особенно в его начале, строго говоря, нельзя оперировать средними по объему мгновенными значениями р г, Т г и средним

составом рабочего тела в цилиндре.

Лишь в конце расширения, когда процесс сгорания завер­

шается, смесь газов в цилиндре можно считать достаточно одно­

Q z = Q K. Jr Qn. г -

В течение всего рабочего процесса теплообмен происходит при переменных объеме, величине и состоянии тепловосприни­ мающей поверхности. На условия теплообмена накладывает от­ печаток вибрация стенок и ряд других факторов.

Исследования и расчеты показывают, что основное количество теплоты передается стенкам в период рабочего хода (табл. V.1). Поэтому особое внимание уделяется исследованию процесса

теплообмена именно за эту фазу рабочего процесса.

Таким образом, процесс теплообмена в цилиндре двигателя

включает в себя все основные формы теплопередачи, протекает в условиях химических превращений, кинетика которых еще недостаточно изучена, в условиях пульсирующих изменений со­

стояния газов •и скорости движения их относительно стенок цилиндра. Все это ограничивает возможности применения мате­

матического аппарата. Путем выделения основных из множества факторов, определяющих теплообмен, и пренебрежения второ­

степенными удается получить общие принципиальные зависи­ мости, описывающие качественную сторону процесса. Лишь в ре­ зультате большего количества весьма сложных и трудоемких

430

экспериментальных исследований появляется возможность вы­ явить количественные соотношения. Как правило, эти формулы, эмпирические по сути, применимы лишь к отдельным группам двигателей, близким по параметрам рабочего процесса и по кон­ структивному исполнению. Для распространения полученных

таким образом формул на другие группы двигателей необходимы критерии подобия. Как показывает практика, использование

известных критериев теории подобия при исследовании тепло­ обмена в цилиндре двигателя затруднительно, так как не пред­ ставляется возможность достаточно точно соблюсти все требова­

ния подобия.

В настоящее время имеется большое количество формул для оценки коэффициента теплоотдачи от рабочего тела в цилиндре

к его поверхности а 2. Основные из них приведены в табл. V.2. В первой группе формул (графы 1, 2, 3, 4) учитывается отдельно теп­

лоотдача конвекцией и лучеиспусканием газов. Авторы второй груп­ пы формул (графы 5, 6 , 7, 8 ) сочли возможным ввиду предпола­

гаемой малости <3 Л г учесть эту величину косвенно (повышенным

влиянием температуры газов, различного рода дополнительными

функциональными зависимостями). В последних формулах (графы 10, 11, 12, 13) рассматривается как конвективная составляющая, так и теплоотдача лучеиспусканием газов и факела пламени.

Теплоотдача конвекцией

Формула В. Нуссельта (графа 1) была получена на базе обработки данных Кларка по теплобалансовым испытаниям ти­ хоходного четырехтактного газового двигателя и опытов с газо­

вой смесью в калориметрических бомбах. Следует отметить, что

а = 1,35 в результате полного сгорания дизельного топлива

косновением при неподвижной смеси, второй — интенсификацию теплообмена за счет вихреобразований в связи с движением

поршня.

Позднее Н. Р. Брилинг, исследуя теплообмен в тихоходном

компрессорном двигателе, установил, что Нуссельтом было за­

вышено влияние ст на вихреобразование в цилиндре и что интен­

сивность последнего находится в прямой зависимости от способа

смесеобразования. Это было им учтено уменьшением множителя

в основе структуру формулы Нуссельта— Брилинга, определяли значения коэффициентов А ' и В для двигателей разных типов [6 ].

431

Последующий анализ показал, что коэффициент пропорцио­ нальности 0,99 в формуле Нуссельта— Брилинга завышен, так как был получен для газовой постоянной R = 24,02, в то время, как для продуктов сгорания дизелей среднее значение R я» зо,

при этом коэффициент должен быть равен 0,855.

Формула Эйхельберга (табл. V.2) была получена на основании истыпаний судовых дизелей, при этом были получены мгновенные значения а г по предложенной автором методике гармонического анализа кривых колебаний температуры в деталях двигателей. Увеличением показателя степени при Т г косвенно учтена тепло­

отдача лучеиспусканием газов, а коэффициентом пропорциональ­

ности 2 , 1 и множителем ]/ст — вихреобразование в цилиндре.

В связи со значительной степенью форсирования судовых дизелей за счет р е и ст появилась необходимость в корректиро­

вании формулы Эйхельберга. Пфлаум вводом поправочных коэф­ фициентов сделал попытку учесть дополнительное влияние на а г

средней скорости поршня и давления наддува. К его заслуге следует отнести то, что он впервые дифференцированно подошел

к определению коэффициента теплоотдачи для различных эле­ ментов тепловоспринимающей поверхности (втулки, днища поршня и крышки цилиндра). Следует отметить, что формулы Нуссельта— Брилинга, Эйхельберга и ряда других авторов можно привести

ккритериальной зависимости, связывающей критерии Нуссельта

иПекле,

Nu = APem.

Значения показателя т находятся в пределах 0,44— 0,9 (фор­

мулы в графах 1, 2, 3, 4, 5, 6 — табл. V.2).

Рассмотренной группой формул не учитываются индивиду­ альные свойства рабочего тела, геометрические размеры цилин­ дра. Температура газов в конвективном члене находится с поло­

жительным показателем степени, хотя известно, что в газах коэф­

фициент теплоотдачи уменьшается с увеличением температуры. Формулы совершенно не учитывают теплоотдачу лучеиспусканием

от факела пламени, чем в свете последних исследований пренеб­ регать нельзя.

Авторы формул в графах 7, 8 , 9 пытаются, используя теорию

подобия, отойти от чисто эмпирической их структуры, избежать

геометрические размеры цилиндра, делается попытка связать

процесс теплообмена с динамикой тепловыделения (графа 9). Отдельные авторы, видя большую условность в замене действи­

тельной скорости движения газов в цилиндре средней скоростью

поршня, пытаются подойти к более точной оценке w (графа 7, 9),

предлагают зависимости для нее (графа 9). Для этих формул ос­ новным исходным критериальным выражением является

Nu = АРет Ф,

436

где Ф — функция, учитывающая влияние на теплообмен допол­

нительных факторов.

В последней группе формул (графы 10, 11, 12, 13) для конвек­ тивной составляющей в качестве исходной принята критериальная зависимость

Так как для воздуха и продуктов сгорания критерий Прандтля практически постоянен («* 0,7), а симплекс S/D изменяется

(особенно для двигателей одного типа) сравнительно мало, их

исключают из рассмотрения так же, как и критерий гомохрон-

ности Но = —у—при принятии поля скоростей в цилиндре одно­

родным и пропорциональным средней скорости поршня. В итоге критериальная зависимость (V.8 ) принимает вид

поршня до крышки цилиндра.

Теплофизические свойства газа определяются либо для средней

скорости движения газов в цилиндре от ст. Величина коэффициента

пропорциональности выбирается в зависимости от различных факторов: типа двигателя (графа 12, -табл. V.2), типа камеры сгорания (графа 11); в формуле (графа 13) — в зависимости от рабочего процесса (сжатие, продувка— наполнение, процесс сго­ рания).

Теплоотдача лучеиспусканием

Как показывают исследования последнего времени, теплоот­ дачей лучеиспусканием пренебрегать нельзя. При этом следует

различать передачу тепла лучеиспусканием газов, а в дизелях —

и факела пламени.

Газы обладают способностью излучать и поглощать лучистую энергию, однако для одно- и двухатомных газов она ничтожна. Например, N 2, 0 2 и Н 2 для тепловых лучей практически проз­

рачны. Заметной излучательной способностью, имеющей практи-

437

ческое значение, обладают многоатомные газы, в частности, углекислый газ С 0 2, водяной пар Н 20, сернистый ангидрид S 0 2

идр.

Воснову практических расчетов положен закон Стефана—

Больцмана

Здесь ест и ег — эффективная степень черноты стенки и степень

черноты газа; C s — коэффициент излучения абсолютно черного тела, Cs == (4,96 ккал/м2 -ч-град) •1,16 Вт/м2 -К; А 2— поглоща­

тельная способность при температуре стенки.

Обычно в технических расчетах принимают ег ^ Л 2, эффек­ тивная степень черноты стенки

Суммарная степень черноты смеси газов в цилиндре опреде­

пара Т3. Следует иметь в виду, что V и F , состав газов и давле­

ние в цилиндре двигателя являются переменными величинами. Состав газов зависит от режима работы двигателей. Следова­ тельно, коэффициент Со = e'CTe rC s должен быть в принципе

величиной переменной. Опыты и многочисленные расчеты пока-

438

зывают, что количество теплоты, переданной в цилиндр за счет лучеиспускания газов, относительно мало. В связи с этим в ин­ женерных расчетах часто принимают среднее за рабочий процесс значение С 0.

При ориентировочных расчетах, особенно при больших зна­

чениях коэффициента избытка воздуха, можно г пренебречь

или считать ее величину постоянной.

В 1928 г. Е. К. Мазинг впервые показал, что в дизелях непол­ нота сгорания связана с выделением свободного углерода в виде сажи. А. Шак установил, что свечение ф а к е л а п л а м е н и обусловливается свечением частиц сажи, излучение же последних может значительно увеличить теплоотдачу и при определенных условиях во много раз превысить лучеиспускание трехатомных газов. Практически излучение может начинаться с момента начала сгорания и заканчиваться с выпуском.

Количество теплоты, переданной лучеиспусканием факела пламени, также определяется по формуле Стефана— Больцмана

Основными факторами, определяющими интенсивность из­ лучения пламени, являются температура пламени, концентрация

сажистых частиц в единице объема, определяющая степень чер­ ноты пламени, и эффективная толщина излучающего слоя. Для

надежной оценки теплоотдачи лучеиспусканием пламени необ­ ходимо знать длительность его свечения и характер изменения

упомянутых параметров по углу поворота коленчатого вала, уметь определять их величину в зависимости от режима работы

двигателя.

Авторы формул по-разному подходят к оценке qn п. Так,

например, А. А. Чирков (табл. V.2, формула в графе 10) прини­ мает температуру факела пламени равной средней по объему

температуре газов в цилиндре. При этом

Ял. х = (е г + е„) Cs

При определении степени черноты газов, ввиду относительно малых парциальных давлений С 0 2 и Н 20, автор считает возмож­

тить, что эти данные были получены при малой температуре — до 1200 К и низком давлении). Суммарная степень черноты газов и факела пламени должна быть меньше 0,96, что обеспечивается

439