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

соответственно изменяется и г]г. При дальнейшем увеличении Тохл коэффициент избытка воздуха уменьшается, так как снижение механических потерь оказывается уже не столь интенсивным, а при

и ухудшение условий смазки может привести к увеличению расхода топлива. Изменение теплового баланса, показанное на рис. V.24, является характерным. Количество тепла q0XJi, уносимого с охла­ ждающей жидкостью, по мере роста Тохл уменьшается, одновре­ менно возрастают потери с выпускными газами qr и остаточный член 9ССТ.

Результатом изменения параметров рабочего процесса оказы­ вается заметное перераспределение тепловых потоков по элементам тепловоспринимающей поверхности и изменение условий тепло­ обмена.

Так, например, в рассматриваемом случае (рис. V.24) с увели­ чением toxn с 70 до 115° С относительная величина теплоотвода

через головку цилиндра возросла на 20%. Средняя величина коэффициента теплоотдачи от рабочего тела к днищу поршня увеличилась примерно на 5% (рис. V.22). Однако рост az ср и Ттрез во многом компенсируется интенсификацией теплоотвода в воду (возрастанием аохл). В результате сохраняется практически ли­ нейная зависимость

^ с т = ® ^ о х л •

Необходимо иметь в виду, что степень, а в отдельных случаях и характер изменения параметров рабочего процесса в большой степени зависят от типа двигателя, степени его форсирования, регулировки, технического состояния, сорта смазочных материа­ лов и многих других факторов. Так, например, наибольшее влия­ ние /охл оказывает при малых исходных ее значениях и частичных подачах топлива (нагрузках). За счет изменения регулировки двигателя по углу опережения подачи топлива оказывается воз­ можным добиться более благоприятного изменения параметров ра­ бочего процесса и т. д.

По усредненным данным испытаний ряда разнотипных двига­ телей при работе их на номинальном режиме увеличение /охл от 80 до 120° С сопровождается примерно следующим изменением

уменьшается до 1,5%; а — уменьшается или остается без измене­ ния (в отдельных случаях возрастает до /охл = 90° С); ge — уве­ личивается на 1—2% (в отдельных случаях остается без изменения); ^в. г — увеличивается на 10— 50° С; q0XJl — уменьшается на 3— 10% на каждые 10° С роста /охл.

Г Л А В А XVI

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ И РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗЫ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ

§ I. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Экспериментальные методы

Рассмотрим практические возможности существующих мето­ дов определения температур деталей ДВС. Их можно разбить на три основных группы: а) экспериментальные; б) аналитические; в) методы моделирования.

482

Определение температуры деталей двигателя в процессе его испытания может быть осуществлено при помощи оптического пи­ рометра, термокрасок, по изменению твердости материала, с ис­ пользованием эвтектических сплавов, электрическими методами. Из перечисленных экспериментальных методов измерения темпе­ ратуры деталей в двигателестроении получили наибольшее применение последние три.

О п т и ч е с к и й п и р о м е т р может быть использован для измерения температур на поверхности деталей выше 350° С. Температуры же деталей цилиндро-поршневой группы редко превышают 400— 450° С. Кроме того, применение этого способа измерения температур (поршня, крышки, втулки цилиндра и др.) затрудняется сложностью дополнительных приспособлений. Ограниченное число мест замера делает его еще менее пригодным.

Т е р м о к р а с к и позволяют измерять также лишь темпе­ ратуру на поверхности в пределах 40— 600° С с интервалом в 10— 45° С. Относительно большие интервалы и возможные нарушения слоя красок от соприкосновения его с рабочими газами или с со­ пряженными деталями не позволяют рассчитывать на необходи­ мую надежность измерений.

О п р е д е л е н и е т е м п е р а т у р п о и з м е н е н и ю т в е р д о с т и основано на способности некоторых материалов изменять твердость под действием высоких температур (например, алюминиевые сплавы, подвергнутые термообработке, изменяют твердость при повышении температуры сверх 200° С). Этот метод не может претендовать на большую точность, так как кроме тем­ пературы нагрева на твердость материала оказывает влияние ряд других факторов, таких, как время прогрева, механические нагрузки и т. п. Метод сравнительно трудоемок, использование его связано с разрушением детали после каждого опыта.

П и р о с к о п и ч е с к и й с п о с о б определения темпера­ туры сравнительно широко используется при исследовании темпе­ ратурного состояния деталей Д. В. С. Способ основан на примене­ нии сплавов и чистых металлов, имеющих строго определенную температуру плавления и обладающих свойствами непосред­ ственного перехода из твердой фазы в жидкую. Сплавы обычно устанавливаются в теле детали при помощи капсул. Температура определяется по выплавлению одной из двух или нескольких кап­ сул смежных по температуре плавления сплавов, установленных в исследуемом месте детали. Истинная температура лежит между температурами плавления выплавившихся и невыплавившихся сплавов. Точность измерения в первую очередь определяется ин­ тервалами температур плавления смежных элементов, плотностью и идентичностью посадки капсул. Количество устанавливаемых на детали капсул достигает нескольких сотен с интервалом

в 4— 8° С.

Основными достоинствами этого метода являются отсутствие необходимости в конструктивных измерениях детали, могущих

заметно повлиять на ее температурное поле, в разработке специ­ альной измерительной аппаратуры и, кроме того, возможность измерения температуры практически в любой точке поверхности.

• Недостатком метода является большая трудоемкость экспери­ мента, так как каждый замер связан с частичной разборкой дви­ гателя (последнее, в свою очередь, может повлиять на воспроиз­ водимость результатов опыта). Пироскопический способ измерения температуры деталей сравнительно часто используется для оценки температурного состояния деталей цилиндро-поршневой группы.

которых возможно непрерывно следить за изменением темпера­ туры в любом месте детали, где заделан термодатчик. При нала­ женной аппаратуре эксперимент сравнительно прост, точность измерений может быть значительно большей, чем при любом дру­ гом из упомянутых выше методов измерения температуры.

В качестве чувствительных элементов используются термопары или термосопротивления. Сложность изготовления термометров сопротивления размером в доли миллиметра, пригодных для измерения сравнительно высоких температур, является одной из основных причин малого их применения. Небольшие размеры чувствительной части термопар (горячего спая) позволяют уста­ навливать их в строго определенных местах стенки детали без заметных нарушений ее температурного поля. Электродвижущая сила термопары легко измеряется.

Значительные затруднения возникают при использовании тер­ моэлектрического метода для измерения температуры движущихся деталей. Наибольшие трудности при организации измерений, на­ пример, температуры поршня возникают при передаче термотока от детали к регулирующему прибору и создании прибора для точной и объективной регистрации температуры.

Создание непрерывного вывода термопар достаточной надеж­ ности практически возможно лишь для крупногабаритных мало­ оборотных двигателей. В остальных случаях наибольшее распро­ странение получило измерительное устройство с периодическим включением термопар в измерительную цепь. В этом случае ис­ пользуется компенсационный метод измерения. Основная погреш­ ность измерения контактным методом получается за счет прерыви­ стого характера протекания тока в цепи. При использовании в ка­ честве нуль-гальванометра стрелочного прибора эта погрешность может достичь большой величины. От подобного недостатка сво­ бодны измерительные устройства, в которых в качестве нульприбора применяются безынерционные устройства (например, электронный осциллограф). В настоящее время созданы измери­ тельные устройства, обеспечивающие автоматическую запись термо-э. д. с. Эти устройства обеспечивают высокую точность из­ мерений, близкую к точности, получаемой при непрерывной связи термопары с измерительным устройством.

484

К недостатку термоэлектрического метода следует отнести ограниченность мест измерений температуры. Однако в крупно­ габаритных двигателях при исследовании температурного состоя­ ния поршней количество устанавливаемых термопар доходит до 50 и более.

При экспериментальном методе анализа работоспособности теплонапряженных деталей приходится сталкиваться с рядом под­ час непреодолимых трудностей технического и методического ха­ рактера, особенно в случае необходимости исследования большого количества конструктивных вариантов, анализа влияния отдель­ ных факторов на температурное состояние. Обычно не представ­ ляется возможным измерение температуры в достаточном для построения температурных полей количестве точек, тем более в нескольких сечениях. Для уверенной же оценки надежности деталей при современном уровне форсирования двигателей тре­ буется знание характера распределения температур в теле дета­ лей, их температур в характерных точках, температурных гра­ диентов в опасных зонах.

Экспериментальные методы исследования обычно громоздки, длительны, требуют больших материальных затрат (необходимо изготовление многих вариантов деталей, их препарирование и длительные испытания). Следует стремиться к сокращению объема экспериментальных исследований. Применение расчетных методов анализа температурного состояния позволяет решить эту важную задачу.

Расчетные методы

Перспективными для решения рассматриваемых задач являются приближенные аналитические методы. Например, метод конеч­ ных разностей позволяет свести уравнения теплопроводности к системе простых алгебраических уравнений, быстрое решение которых возможно на вычислительных машинах. Однако слож­ ность и разнообразность геометрических форм деталей и условий теплообмена не всегда позволяет эффективно в полной мере исполь­ зовать возможности современных ЭЦВМ. ВлнастоящееАвремя на электронных вычислительных машинах широко практикуется решение двухмерных плоских и осесимметричных задач теплопро­ водности (при определении температурного состояния поршней, клапанов, втулок цилиндров). Одним из недостатков метода яв­ ляется необходимость составления практически новых программ расчета при значительном изменении геометрических форм дета­ лей и условий теплообмена. Большие трудности возникают при решении сложных трехмерных задач теплопроводности.

Впоследние годы широко применяются методы исследования,

воснове которых лежит аналогия математического описания физи­ чески различных процессов. При решении задач теплопроводности наибольшее распространение получил метод, использующий аналогию дифференциальных уравнений, описывающих распро-

охранение теплоты и распределение потенциалов в электропрово­ дящей среде— метод электротепловой аналогии (э. т. а.) [4].

В табл. V.15 приведены основные соотношения, определяющие аналогию процессов.

При решении задач теплопроводности методом э. т. а. необ­ ходимо выдерживать следующие условия подобия в тепловом ори­ гинале и в электрической модели: геометрическое подобие; подо­ бие потенциалов (пропорциональность температурного и электри­ ческого потенциалов во всех сходных точках оригинала и модели); подобие полей проводимости (пропорциональность численных значений X оригинала и 1/р модели); подобие граничных условий (например, при граничных условиях третьего рода — пропор­ циональность температурного потенциала среды соответствующему электрическому потенциалу и термического сопротивления тепло­ отдаче к стенке детали соответствующему электрическому сопро­ тивлению модели).

Существуют два метода решения задач теплопроводности — сплошных сред и электрических сеток. В первом методе моделью служит поле электрического тока в сплошной электропроводящей среде (электролите, электропроводной бумаге и т. п.). Во втором методе модель представляет собой электрическую сетку, основан­ ную на дискретном представлении элементарных объемов иссле­ дуемого тела с помощью схемы замещения из элементов электри-

486

сетка). Ряд известных преимуществ R-сетки привел к ее широкому применению при исследовании температурного состояния деталей цилиндро-поршневой группы ДВС.

Рассмотрим схему, замещения элемента объема теплопроводя­ щего тела. Выделим объем в виде прямоугольного параллелепи­

педа с гранями Дх, Ду и Дг. Возможны два варианта замещения. В первом варианте (рис. V.25, а) фиксируются точка внутри объема — узловая точка, в которой измеряется потенциал, и точки на гранях, которыми данный элементарный объем сопря­ гается с другими, образуя электрическую сетку. По второй схеме (рис. V.25, б) фиксируются вершины параллелепипеда, являющиеся узлами, где измеряются потенциалы, и точками со­ пряжения с остальными элементарными объемами. В обоих слу­ чаях электрические сетки получаются сходными, различие будет лишь на границах моделируемой детали.

Основные требования к разбивке тела исследуемой детали на элементарные объемы заключаются в том, чтобы обеспечить до­ статочно малую погрешность моделирования и получить необхо­ димое для построения температурных полей количество узловых

487

точек. При этом в зонах, где ожидаются большие температурные градиенты, пространственные интервалы выбираются меньшими (количество узловых точек увеличивается). Резкие изменения про­ странственных интервалов приводят к появлению переходных зон (рис. V.26, а), приводящих к дополнительной погрешности моделирования (до 2%) и усложнению монтажа. Рядный принцип разбивки (рис. V.26, б) связан с увеличением числа узловых точек. Однако при этом обеспечивается возможность более обоснованного

Рис. V.26. Два варианта разбивки тела детали на элементарные объемы: а — с переходными зонами; б — рядные

построения изотерм, кроме того, упрощается монтажная схема и снижается вероятность ошибок при сборке модели.

Параметры R-сетки рассчитываются по соотношениям, полу­ ченным в результате сопоставления' уравнения теплопровод­

Большинство деталей цилиндро-поршневой группы (поршни, клапаны, втулки цилиндров) с некоторыми допущениями или без них можно полагать осесимметричными. С известным приближе­ нием можно считать такими же и их температурные поля. Для задач осевой симметрии в случае стационарного процесса уравне­

Здесь К— коэффициент теплопроводности материала детали, яв­ ляющийся в общем случае функцией координат температуры.

488

Запишем это уравнение в конечных разностях при неравных про­ странственных интервалах для узла О (рис. V.25, в)

По закону Кирхгофа, для участков электрической цепи, схо­ дящихся в узел О,

Исходя из аналогии уравнений (V.24) и (V.25) величины оми­ ческих сопротивлений (параметры R-сетки) определятся из соот­

лений к электрическим, Ом-ккал/ч-град (Ом-Вт/К). Выражения (V.26) и (V.27), полученные для цилиндрических

поверхностей заменой In r ~J—соотношением _^^2г) >обеспечи­

вают достаточную точность расчета при условии, что Я значительно меньше, чем г. Для элементов около оси следует пользоваться более точными зависимостями:

489

При известных граничных условиях первого рода к поверх­ ностным точкам модели подаются напряжения, соответствующие заданным температурам.

При задании граничных условий второго рода должно выпол­

При заданных граничных условиях третьего рода

Это выражение для цилиндрических поверхностей в конечных разностях примет вид

Из аналогии полученных выражений (V.30)— (V.33) уравнению электрических токов, сходящихся в одной точке, получены сле­ дующие соотношения для расчета сопротивлений на границе мо­ дели при граничных условиях второго и третьего родов:

для цилиндрических поверхностей:

2ctl (2)^1 (2) (Г(— ) ^1 (2))

для торцовых поверхностей

U J h (4)^3 (4)

Rq 3 (4) =

% (4)А3 (4)

__ ^3 (4)-^з (4)

^сеЗ (4)

«3 (4)А3 (4)

490