РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ ТЕПЛООБМЕНА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА

ИНДИКАТОРНЫЙ КПД ДВС

Матиевский Д.Д., Синицын В.А.

Процесс теплообмена в ДВС является одним из наиболее сложных и наименее изученных процессов, во многом определяющим качество протекания рабочего цикла двигателя и его основные технико-экономические показатели. Ему свойственна ярко выраженная нестационарность и локальность параметров теплообмена вследствие переменности по объему КС термодинамических, гидродинамических и теплофизических параметров рабочего тела, очевидная зависимость от режимных, регулировочных и конструктивных параметров двигателя. Обращает на себя внимание отсутствие единых представлений о физической природе и определяющих показателях конвективного и радиационного теплообмена, их тщательного анализа и строгого описания.

Наименее разработанными в настоящее время являются вопросы определения граничных условий теплообмена между рабочим телом и деталями, ограничивающими объем камеры сгорания двигателя, достоверность определения которых играет решающую роль в оценке температурного и напряженно-деформированного состояния деталей ЦПГ и разработке практических рекомендаций по конструктивному исполнению теплонапряженных узлов и деталей камеры сгорания.

Интенсификация процесса теплообмена в камере сгорания (КС) ДВС, связанная с их форсированием, в значительной мере определяет теплонапряженность деталей ЦПГ, условия их охлаждения, надежность и ресурс, а также пределы форсирования. Поэтому получение достоверных и надежных данных о тепловом состоянии основных деталей КС, основанное на изучении особенностей и закономерностей теплообмена, является актуальной задачей исследования.

Преобладающим направлением исследований сложного (конвективного и радиационного) теплообмена в ДВС был и пока остается путь прямого экспериментирования на натурных объектах. При изучении радиационного теплообмена определяются тем или иным методом локальные падающие потоки излучения сажегазового объема или излучательные характеристики дизельного пламени - концентрация и температура сажистых частиц. Конвективная составляющая теплообмена определяется, как правило, как разность суммарного и радиационного тепловых потоков, определенных экспериментально.

Анализ работ в области теплообмена свидетельствует, что наряду с серьезными достижениями в области исследования гидродинамической обстановки в цилиндре двигателя, развития теории горения и радиационного теплопереноса, позволившими раскрыть качественную сторону сложного теплообмена в ДВС и разработать на этой основе соответствующие математические модели, имеют место принципиальные недостатки в методах исследования, способах задания граничных условий по теплообмену при анализе теплонапряженного состояния деталей ЦПГ.

В соответствии с вышеизложенным были поставлены следующие задачи исследования:

на основе дальнейшего развития метода оптического индицирования цилиндра дизеля проведение экспериментальных исследований на двигателях различного типа и назначения излучательных характеристик (концентрации и температуры сажистых частиц) дизельного пламени;

разработка методов и средств экспериментального исследования локальных граничных условий теплообмена в цилиндрах дизелей и двухтактных высокооборотных бензиновых двигателей, направленных на установление общих закономерностей теплообмена и оценку его влияния на экономичность и параметры рабочего процесса;

разработка экспериментальных методов и средств исследования излучательной способности (степени черноты) тепловоспринимающих поверхностей КС различных ДВС;

теоретический анализ условий и методов расчета радиационного теплообмена в цилиндре дизеля, обоснование выбора определяющих показателей объемного теплового излучения;

построение объемной многозонной модели радиационного теплообмена в цилиндре дизеля с любой формой КС и произвольным распределением источников излучения;

разработка метода оценки влияния теплообмена на неиспользование теплоты в цикле и ндикаторный КПД.

Для определения показателей теплового излучения в дизелях применяют различные методы, основанные как на экспериментальных исследованиях радиационного теплового потока, так и на использовании эмпирических и полуэмпирических зависимостей, включающих параметры, определяющие, по мнению автора, реальный процесс радиационной теплоотдачи в цилиндре дизеля. Однако даже самая приближенная оценка граничных условий радиационного теплообмена невозможна без специальных исследований спектральных и интегральных показателей излучения на натурных объектах.

Анализ существующих методов экспериментального исследования внутрицилиндровых процессов показал, что наибольшей перспективой обладают оптические методы, основные достоинства которых заключаются в малой инерционности и высокой чувствительности применяемой аппаратуры, возможности размещения исследовательской аппаратуры вне объекта исследования, отсутствии непосредственного контакта изучаемой среды с чувствительными элементами измерительной системы. Недостаточность, а в некоторых случаях и полное отсутствие экспериментальных данных об изменении излучательных характеристик дизельного пламени в цилиндре дизеля послужили основанием для проведения специальных опытов на исследуемых установках. В этих опытах экспериментально исследовалось изменение мгновенных значений спектральной степени черноты, концентрации и температуры излучателя в функции угла поворота коленчатого вала по методике, подробно описанной в [1].

В АлтГТУ им. И. И. Ползунова для исследования локальных полей концентрации сажи и температуры пламени в цилиндре дизелей 4Ч10,5/13 и 1Ч13/14 было выполнено многоканальное оптическое зондирование объема КС, схема которого приведена в [2]. Цилиндр двигателя имел 12 измерительных каналов в осевом и радиальном направлении. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 1 и 2.

Для периферийных зон КС дизеля 4Ч10,5/12 (г=0,ЗR и г=0,5R) максимальные значения концентрации излучателя оказываются ниже, чем в центральной зоне. Для этих же зон максимальные температуры пламени также имеют меньшие, чем для центральной зоны, значения (рис, 1а), и момент их достижения по углу п.к.в. более поздний. В верхней части цилиндра в момент времени, близкий к началу сгорания, неравномерность распределения температуры наибольшая, достигающая 500-600 К. Затем, по мере движения поршня к НМТ, наблюдается повышение температуры в периферийных зонах КС и снижение в центре. Данное явление автор [2] объясняют началом интенсивного окисления топлива, впрыснутого на стенку КС (напомним, что дизель 4Ч10,5/12 имеет полуразделенную КС).

Рис.1. Температура пламени (а) и концентрация сажи (б)
в цилиндре дизеля 4Ч10,5/12, (n=1750 мин^-1, Pi = 0,75 МПа)

Распределение концентрации сажи (рис. 16) характеризуется наличием максимума в зоне продольной оси цилиндра, причем по мере развития процесса концентрация сажи более интенсивно снижается в периферийных зонах. При движении поршня к НМТ наблюдается выравнивание температурно-концентрационных полей. Вместе с тем концентрация сажи на продольной оси цилиндра на 10-30% выше, чем в периферийных зонах.

По мере перемещения поршня к НМТ наблюдается перераспределение температуры в сторону выравнивания, а ближе к моменту завершения процесса ее снижение на 150-200 К непосредственно в КС и близлежащих зонах. Снижается и выравнивается в радиальном направлении концентрация сажи, при наличии максимума на продольной оси цилиндра и в КС.

Анализируя результаты экспериментальных исследований, автор (2) делает вывод о существовании в цилиндре дизеля 4Ч10,5/12 двух зон горения, одна из которых связана со сгоранием топлива вблизи головки цилиндров, вторая - со сгоранием топлива, впрыснутого на стенки КС.

На рис. 2 показано изменение концентрации сажи в цилиндре дизеля 1Ч13/14, имеющего полуразделенную КС типа ЯМЗ. Характер изменения кривой С = ¦ (j ) аналогичен характеру изменения этого параметра для дизеля 4Ч410,5/12 и других дизелей, имеющих полуразделенную КС.

Рис. 2. Концентрация сажи в цилиндре дизеля 1Ч13/14, (n = 1750 мин^-1,
Р_i = 0,75 МПа); а - КС по а.с. № 1456622, б -серийная КС

Локальные температуры и концентрации сажи имеют ярко выраженную неравномерность. Так, для серийной КС (рис. 2) в начале процесса сгорания характерно наличие зон с большей концентрацией сажи на периферии КС, затем, по мере движения поршня к НМТ, максимальная концентрация наблюдается уже в центре КС.

Анализ результатов многоканального оптического зондирования цилиндров различных дизелей показывает, что для исследуемых дизелей, имеющих полуразделенные КС, наиболее высокий уровень температуры пламени и концентрации сажи в центре КС наблюдается при положении поршня, близком к ВМТ. По мере движения поршня к НМТ наблюдается тенденция к выравниванию температурных полей, затем (в дизеле 4Ч10,5/12) более интенсивное снижение температур в периферийных зонах. Для дизеля 1Ч13/14 снижение концентраций и температур происходит более медленно, что можно объяснить большей продолжительностью процесса сгорания и перемещением очага горения вслед за поршнем.

Эпюра тепловой нагрузки деталей ЦПГ двигателя (при воздействии радиационной составляющей теплового потока) формируется вследствие воздействия результирующего теплового потока, который определяется следующим образом:

Е_рез(М_к) = Е_пад(М_к)-Е_соб(М_к), (1)

где Е_рез(М_к)-результирующий тепловой поток поверхности в точке М_к;

Е_пад(М_к)- падающий тепловой поток;

Е_соб(M_к)- собственный тепловой поток поверхности.

Величина собственного теплового потока поверхности излучения в точке М_к есть функция температуры поверхности и степени черноты поверхности в точке М_к:

Е_соб(М_к} =s _0* e (М_к)-Т⁴(М_к) (2)

где s (М_к)- степень черноты поверхности в точке М_к.

Из данных выражений следует, что достоверность аналитической оценки величины собственного теплового потока поверхности и, следовательно, результирующего теплового потока во многом определяется достоверной количественной оценкой локальной степени черноты поверхности излучения s (М_к), единственным путем определения которой в настоящее время является эксперимент.

В расчетной практике двигателестроения при аналитическом исследовании радиационного теплообмена степень черноты тепловоспринимающей поверхности деталей КС выбирается на основании экспериментальных данных, полученных практически в единственной работе Волкова А.Н. [3].

Несмотря на свою практическую значимость и несомненный интерес, данная работа, к сожалению, имеет ряд недостатков.

Автор определял степень черноты образцов в диапазоне температур 100 - 250°С.
Нагревание образца производилось электрическим нагревателем.

Однако в работе [4] установлено, что одно и то же тело неодинаково пропускает инфракрасные лучи от различных источников. Следовательно, в различных источниках количественное содержание различных инфракрасных лучей очень разнообразно, вплоть до того, что часть из них совершенно отсутствует. Таким образом, нагрев образца необходимо производить способом, наиболее идентичным реальным процессам, происходящим в ДВС.

Автору не удалось выявить зависимость степени черноты от температуры в интервале исследуемых температур.

Исследования по определению степени черноты проводились автором только с образцами деталей ЦПГ бензиновых двигателей.

В этой связи, а также учитывая современное состояние развития аналитических методов исследования радиационного теплообмена (в частности, зональных методов, требующих знания локальных энергетических характеристик), разработана методика экспериментальной оценки степени черноты тепловое принимающих поверхностей деталей КС, в основе которой лежит широко известный в котельной и металлургической практике радиационный метод исследования излучательных характеристик твердых тел.

Результаты экспериментального определения степени черноты деталей ЦПГ представлены в таблице 1.

Таблица 1
Степень черноты некоторых деталей КС ДВС

Тепловосприни-мающая поверхность	Степень черноты e
Тепловосприни-мающая поверхность	Карб. ДВС	Дизель
Крышка цилиндров	0,65-0,9	0,8-0,96
Боковая поверхность цилиндра	0,30-0,40	0,30-0,40
Верхняя часть гильзы цилиндра	0,75-0,85	0,85-0,95
Поршень	0,65-0,85	0,8-0,96
Клапан впускной	0,15-0,50	0,80-0,96
Клапан выпускной	0,65-0,90	0,80-0,96

Рассмотрение теплообмена в его связи с индикаторным КПД представляется целесообразным ввиду необходимости оценки значимости влияния теплообмена на h _i в сравнении с другими составляющими неиспользования теплоты, степени влияния теплообмена на различных участках цикла, раздельного влияния конвективного и радиационного теплообмена, теплообмена через отдельные поверхности КС (поршень, цилиндровую втулку, головку).

Исследования по названным направлениям имеют практическую значимость, т.к. позволяют ответить на ряд вопросов: на каком участке рабочего цикла, через поверхность какой детали, и какую форму теплообмена следует подавлять для получения максимального h _i за счет снижения коэффициента d _w.

В плане уточнения известного метода анализа индикаторного КПД [ 5 ] в части оценки влияния теплового состояния двигателя на индикаторный процесс величину d _wможно представить в виде двух составляющих, учитывающих влияние на d _w несвоевременности отвода теплоты и изменения состояния РТ, принимая во внимание, что оптимальным методом отвода, установленным в теоретических циклах, является момент при положении поршня в НМТ:

d _w = d _w1 + d _w2 , (3)

где d _w1 - учитывает неиспользование теплоты, связанное с местом отвода теплоты в цикле, предполагая, что рабочее тело – воздух (к_возд=1,4):

d _w1 = (4)

d _w2 - учитывает изменение состояния рабочего тела в процессе отвода теплоты:

d _w2= (5)

Использование уравнений (4) и (5) позволяет дифференцированно подойти к оценке влияния теплообмена на индикаторный КПД и решать задачи оценки влияния составляющих сложного теплообмена через отдельные поверхности, ограничивающие объем КС, с учетом изменения состояния рабочего тела и в развитии цикла. В начале процесса сгорания, как это следует из графиков на рис. 3 и 4, основной отвод теплоты для двигателей большой размерности с объемным способом смесеобразования (I группа) осуществляется через поверхности головки и поршня. Отвод теплоты через гильзу незначителен из-за небольшой поверхности контакта гильзы с РТ, определяемой малыми перемещениями поршня вблизи ВМТ. За весь же цикл отвод теплоты через поверхности названных деталей примерно одинаков. Так, в начале процесса сгорания величина коэффициента d _w гильзы дизеля 6ЧН18/20 составляет только 15% от суммарного значения коэффициента d _w1, тогда как за весь цикл -около 30% (рис.3).

Рис. 3. Изменение коэффициентов d _w для отдельных поверхностей. Дизель 6ЧН18/20

Для двигателей II группы эти соотношения значительно меньше. Так, в начале сгорания величина коэффициента d _w гильзы дизеля 6ЧН13/14 и 8ЧН12/12 составляет примерно 8%, за весь цикл - около 20% (рис.4). Основной теплоотвод осуществляется через поверхности поршня и головку цилиндра (80% от суммарного значения коэффициента d _w).

Рис. 4. Изменение коэффициентов d _w для отдельных поверхностей. Дизель 6ЧН13/14

Анализ графиков на рис.5 и 6 показывает, что соотношение коэффициентов d _wпоршня и цилиндровой головки для обеих групп исследуемых дизелей различное. Для дизелей I группы коэффициент d _w поршня несколько превышает значение d _w для цилиндровой головки, для дизелей II группы -наоборот.

В таблице 2 приведены соотношения коэффициентов неиспользования теплоты от конвективного, радиационного, суммарного теплообмена для отдельных поверхностей различных дизелей. Значение коэффициентов d _w приведены в процентах.

Таблица 2

Дизель	Поршень			Головка цилиндра

6ЧН 18/20	1,2	0,75	0,45	0,9 5	0,6	0,3 5
4ЧН 15/18	1,65	1,1	0,55	1,3	0,9	0,4
6ЧН 15/18	2,6	2,0	0,6	2,1	1,6	0,5
1ЧН 16/17	1,5	1,2	0,3	1,2 3	0,95	0,2 8
8ЧН 12/12	2,15	1,7	0,45	2,6	2,1	0,5
6ЧН 13/14	2,25	1,6	0,75	2,8	2,0	0,8

Доля радиационного теплообмена в суммарном для разных категорий двигателей различна. Примерно этому же значению равно отношение коэффициентов неиспользования теплоты от радиационного

и сумарного

теплообмена, что возможно при достаточно близком характере изменения отвода радиационной и конвективной формами теплообмена.

Как видно из таблицы 2 и рисунков, соотношение

для дизелей 4ЧН15/18, 6ЧН18/20, 6ЧН13/14 составляет 30-35% , для остальных дизелей - 20-25%. Конечно, определяющее влияние на коэффициент d _w конвективного теплообмена очевидно, однако не следует оставлять без внимания и достаточно большое влияние радиационного теплообмена.

Следует заметить, что для снижения d _w на 0,01 (что соответствует приращению индикаторного КПД несколько более 2%) необходимо уменьшить отвод теплоты на 0,03 ед., т.е. примерно на 15-20% (5). Приведенные данные свидетельствуют о том, что для достижения заметного увеличения индикаторного КПД (порядка 4%) требуется значительное (на 30-40%) снижение теплообмена. С другой стороны, реализация способов снижения теплообмена (введение теплоизолирующих покрытий, увеличение температуры охлаждающей жидкости) приводит к подогреву воздуха на впуске, снижению коэффициентов наполнения и избытка воздуха. В результате растет неполнота и несвоевременность сгорания и ослабляется эффект увеличения индикаторного КПД за счет снижения коэффициента d _w.

Рис.5. Изменение коэффициентов d _w.для отдельных поверхностей и различных видов тепловых потоков дизеля 6Чн15/18

Неиспользование теплоты от теплообмена d _w.в основном связано с несвоевременностью ее отвода от РТ и в значительно меньшей степени (в 5-7 раз) с изменением (благоприятным) состояния РТ. Значение коэффициента d_w для режимов номинальных нагрузок составляет для двигателей, имеющих полуразделенную КС 5-7%, для двигателей с открытой КС - 2,5-5%. Основная роль в формировании этого коэффициента принадлежит конвективному теплообмену. Составляющая неиспользования теплоты от радиационного теплообмена примерно пропорциональна его доле в суммарном теплообмене.

Рис. 6. Изменение коэффициентов d _w.для отдельных поверхностей и различных видов тепловых потоков дизеля 84Н12/12

Анализ изменения коэффициентов d _w для отдельных поверхностей позволяют утверждать, что уменьшение d _w и увеличение h _i, для дизелей, имеющих неразделенную КС(объемный способ смесеобразования), целесообразно осуществлять путем ограничения теплообмена в первую очередь через поверхности поршня и головки, для дизелей с полуразделенной КС (объемно-пленочный способ смесеобразования) - в равной мере через все тепловоспринимающие поверхности.

В заключение следует отметить, что результаты экспериментальных исследований cтепени черноты различных поверхностей КС, излучательных характеристик пламени в цилиндре дизелей различной размерности, форсировки, формы КС являются основой для проведения расчетно-экспериментальных исследований локального радиационного теплообмена и позволяют вплотную подойти к созданию объемной многозонной модели радиационного теплообмена в цилиндре дизеля.

ЛИТЕРАТУРА:

Батурин С.А., Ложкин В.Н. Исследование динамики сажевыделения и температуры пламени на неустановившихся режимах работы дизеля ЯМЗ-238НБ // В кн.: исследование и совершенствование быстроходных дизелей. -Барнаул: - 1978. - С.46-53.

Гладышев А.В. Разработка экспериментально-расчетного метода исследования мгновенных полей температуры и концентрации сажи в цилиндре дизеля: Дисс....канд. техн. наук. -Л., 1990. - 180 с.

Волков А.Н. Экспериментальное определение степени черноты поверхностей, образующих полость цилиндра автомобильного двигателя. - В кн.: Технические науки. -Алма-Ата, 1969. - С. 91-94.

Клевчишкин В.А., Пукашов В.С., Еринов А.Е. Определение степени черноты металлов в контролируемых атмосферах //Теплофизика высоких температур. -1978.-Т.16, №2.-С. 315-321.

Матиевский Д.Д. Метод анализа индикаторного КПД рабочего цикла двигателя // Двигателестроение. – 1984. - №6 – с. 7-11.