книги из ГПНТБ / Устинов А.Н. Исследование поршневых колец дизелей

Таблица 16

Тепло, отведенное

Литературный' источник от поршня порш­ невыми кольцами,

%

§ 1. Р А С Ч Е Т К О Л И Ч Е С Т В А Т Е П Л А , О Т В Е Д Е Н Н О Г О О Т П О Р Ш Н Я ?

П О Р Ш Н Е В Ы М И К О Л Ь Ц А М И

В настоящее время одной из немногих работ, содержащей'' рекомендации по расчету количества тепла, отведенного от поршня через кольца, является исследование Б. Я. Гинцбурга [13]. Расчет теплопотока через поршневое кольцо номер Г производится по выражению

(46).

где Ті= Uі—/ц — тепловой напор,

Дпк — термосопротивление поршневого кольца с прилегающим участком поршня, опре­ деляется по выражению

где Uі — температура поршня в зоне контакта с'поршневыми кольцом;-

108

іц— средняя температура стенки цилиндра; D —диаметр цилиндра (поршня), м;

бк— зазор между кольцом и канавкой по высоте, м\ b — высота поршневого кольца по образующей, ж;

Як— коэффициент теплопроводности материала поршнево­ го кольца;

Ям — коэффициент теплопроводности масла;,

I — длина участка поверхности поршня, прилегающей к кольцу, ж.

Как показали расчеты, проведенные в соответствии с дан­ ной методикой для поршней дизелей 6ЧН 25/34 и 6ЧН 21/21, доли тепла, отведенного через поршневые кольца, составляют:

1 -е кольцо — 40—43%,

2- е коліьцо — 30—32 %,

3- е кольцо — 25—27 % •

При этом суммарное количество тепла, отведенное через поршневые кольца, составляет 70% тепла, подведенного к поршню (иеохлаждаемые поршни). Как показали последую­ щие эксперименты, такая оценка является значительно завы­ шенной, что объясняется недостаточным учетом при исполь­ зовании методики Б. Я. Гинцбурга особенностей контактного ■теплообмена.

Несколько более точную оценку количества тепла, пере­ данного кольцами цилиндровой втулке, можно получить, ис­ пользуя методику расчета теплообмена в зоне термического контакта, изложенную в работах Ю. П. Шлыкова [51] и В. М. Попова [49]. Сущность указанной расчетной методики заключается в том, что термическая проводимость контакта

109

Определение относительной толщины прослойки среды возможно аналитическим и экспериментальным путем. К со­ жалению, в указанной литературе приведены результаты экс­ периментально определенных величин У только для газов.

В работе [49] приведены результаты экспериментального определения ак при наличии воздушной прослойки между контактирующими поверхностями, а также для прослойки из глицерина. Принимая во внимание, что для масла и глицери­ на, нагретых до температуры в 100—120°, такие физические

водности; Хмі и Ям2 — теплопроводность 'контактирующих

материалов;

Термическое сопротивление контакта .

R k—\

Расчет количества тепла, отведенного через кольца, вы­

М 0

•охлаждающую воду на специальном стенде с неподвижным поршнем 4.

Принципиальная схема стенда приведена на рис. 49. На­ грев поршня с помощью нихромовой спирали, количество подводимого тепла регулировалось трансформатором ТС-500. На стенде испытывались серийные и опытные варианты порш­ ней двигателей 6ЧН 21/21 и 6ЧИ 25/34 с масляным охлажде­ нием и без охлаждения.

асбест спираль ........

Р и с. 49. Принципиальная схема безмоторного стенда для натурного моделирования теплового состояния поршней.

4 Приведены результаты экспериментов', выполненных инж. А. С. Чу­ гуновым под руководством автора.

112

Очевидно, что разница в количествах подводимого к порш­ ню тепла для двух рассмотренных предельных случаев опре­ деляется различными условиями подвода тепла к поршню на двигателе и на стенде. Различие условий выражается, преж­ де всего, в том, что на двигателе для части хода поршня (уча­ сток по углу поворота коленчатого вала, отводимый иа про­ цесс газообмена) имеет место отвод части подведенного тепла от поверхности поршня к свежему заряду, имеющему более низкую температуру. Таким образом, на двигателе не все подведенное к поршню тепло передается к внутренним слоям, металла (поверхностям), так как часть этого тепла возвра­ щается от нагретой поверхности к свежему заряду. Иное положение имеет место при испытаниях на безмоторном стенде.

Определение разности количеств тепла, подведенного к поршню на безмоторном стенде для двух случаев,, когда мо­ делирование температурного состояния поршня осуществ-, ляется по температурам на поверхности поршня (первый случай) и температурам в зоне верхних компрессионных ко­ лец (второй случай), позволяет оценить долю тепла, отведен­ ного от поверхности поршня к свежему заряду во время про­ цессов газообмена.

Доля тепла, отведенного от поршня к свежему заряду (а % от количества тепла, подведенного к поршню), по данным

для двигателя 6ЧН 25/34— 18,7%.

Разность количества подведенного тепла определялась по разности мощностей нагревателя для двух указанных случаев и проверялась составлением теплового баланса, т. е. измене­ нием количества тепла, отведенного в масло и воду. По тепло­ вому балансу эта величина для 6ЧН 21/21 составила 18,5%. Для неохлаждаемого поршня дизеля 6ЧН 21/21 доля тепла,, отданного свежему заряду, составила 30%.

Точность расчета теплового состояния поршня по методу Б. Я. Гинцбурга может быть заметно повышена, если учесть указанную составляющую теплового потока.

Принимая во внимание-, что оценка количества тепла, от­ веденного от поршня поршневыми кольцами, должна прово­ диться при одинаковых температурах в районекомпрессион­ ных колец, в дальнейшем моделирование осуществлялось по пути выравнивания температур в этой зоне. Температуры на поверхности цилиндровой втулки в районе расположения.

114

поршневых колец при этом устанавливались равными для соответствующих режимов на двигателе.

Ввиду того, что тепло, отводимое от поршня кольцами, в конечном счете, отдается охлаждающей воде и выделить его в виде отдельной статьи расхода при составлении теплового баланса не удается, был использован следующий косвенный метод его оценки.

Для каждого варианта поршня испытания на безмоторном стенде проводились в несколько этапов при следующих ус­ ловиях:

на поршне установлены все кольца, поршни не имеют колец,

на поршень поочередно устанавливается одно, два и три кольца. На всех этапах мощность трансформатора регулиро­ валась таким образом, чтобы обеспечивались одинаковые температуры в зоне расположения поршневых колец.

При этих условиях количество тепла, отведенное от порш­ ня кольцами (всеми и каждым в отдельности) может быть определено как разность мощностей нагревателя в случае установленных и снятых колец. Результаты экспериментально­ го исследования теплопередачи через поршень дизеля 6ЧН 21/21 представлены в табл. 17.

Не имея возможности с достаточной точностью сравнить результаты, полученные на безмоторном стенде путем натур­ ного моделирования теплового состоянияпоршней, с резуль­ татам« оценки-количества тепла, передаваемого от поршня кольцами непосредственно на двигателе, необходимо отме­ тить следующее:

условия теплоотвода кольцами на стенде являются более благоприятными, чем на работающем двигателе. Это предпо­ ложение основано на сравнении условий работы колец в этих двух случаях. На двигателе теплоотводу препятствует и мас­ ляная пленка между поверхностями кольца и цилиндра, и на­ рушения контакта поверхностей вследствие сложного движе­ ния кольца, и тепло трения при взаимном перемещении ука­ занных поверхностей;

значения коэффициента теплоотдачи от поршня к охлаж­ дающему маслу (<хм) на работающем двигателе выше, чем на безмоторном стенде, что объясняется наличием «вторичных» контуров циркуляции, эффектом «взбалтывания» и другими факторами.

С учетом сказанного, следует ожидать' некоторого перерас­ пределения статей теплового баланса на работающем двига-

об/мин

П р и м е ч а н и е : Qт — тепло, введенное в цилиндр с топливом.