CC BY
61
УДК 621.43.052
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГОЛОВКИ ЦИЛИНДРОВ ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ 6Ч 13/14
Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., В.М. Манойло, доцент, к.т.н., В.С. Червяк, мл. научн. сотр., В.И. Рубцов, инженер,
Ю.С. Богданов, инженер, С.В. Салдаев, ассистент,
А.Н. Кабанов, ассистент, Г.В. Майстренко, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Приведены результаты экспериментального исследования теплового состояния элементов головки цилиндров газового двигателя 6Ч13/14 с искровым зажиганием.
Ключевые слова: газовый ДВС, теплонапряженность, головка цилиндров, система охлаждения.
Введение
Система охлаждения представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих принудительный отвод тепла от наиболее нагретых деталей двигателя.
Перегрев и переохлаждение ДВС нарушают его нормальную работу.
Перегрев двигателя вызывает уменьшение коэффициента наполнения и, как следствие, приводит к ухудшению технико-экономических показателей рабочего процесса ДВС. Кроме того, это может привести к прогоранию поршней, деформации клапанов, приго-ранию поршневых колец, нарушению нормальных зазоров в узлах ЦПГ.
Переохлаждение ДВС, в свою очередь, может вызвать ухудшение экономичности, вследствие увеличения теплоотдачи в стенки цилиндров и потерь на трение. Кроме того, это приводит к ухудшению смесеобразования, повышению жесткости работы, увеличению износа цилиндров и поршневых колец.
Как показывают результаты испытаний, максимальную экономичность большинство автотракторных двигателей имеют при температуре охлаждающей жидкости 92 - 98 °С.
Конвертация дизеля ЯМЗ-236 в газовый двигатель 6Ч13/14, выполненная кафедрой ДВС ХНАДУ совместно с Харьковским авторемонтным заводом №126, повлекла за собой изменение параметров рабочего процесса в цилиндрах двигателя. С увеличением степени сжатия (е = 11,8) выросли температура продуктов сгорания, следовательно, - и теп-лонапряженность деталей и узлов цилиндропоршневой группы газового двигателя. На режимах, близких к номинальной мощности, происходит кипение жидкости в системе охлаждения двигателя. Особенно сильно это отражается на головке цилиндров ДВС. Температура нижней плиты головки цилиндров становится выше требуемых значений. Поэтому при длительных испытаниях в межпе-ремычечном пространстве клапанов, вследствие возникновения больших температурных напряжений, могут появиться трещины, в результате чего двигатель в процессе эксплуатации выйдет из строя.
Анализ публикаций
Для решения проблемы перегрева межпере-мычечного пространства клапанов в головке цилиндров ДВС специалистами предложены методы, некоторые из них изложены ниже.
В работах [1, 5] профилированием нижней полки головки цилиндра удалось обеспечить
более равномерное поле температур и снизить максимальную температуру на 50 °С.
В работах [2, 3, 4 и 6] аналогичные исследования были проведены (на дизелях семейства СМД) специалистами Головного специализированного конструкторского бюро по двигателям (ГСКБД) и успешно решена проблема по снижению температуры элементов головки цилиндров.
Результаты термометрирования серийной и опытных вариантов головок цилиндров представлены в работе [4]. Кроме того, в работе [4] приведены результаты замеров температуры головки цилиндров при работе с опытными турбокомпрессорами.
В качестве объекта испытаний рассматривается двигатель СМД-31 с серийными и опытными деталями и агрегатами. К ним относятся:
- серийная головка цилиндров с вставными седлами под клапана;
- опытная головка цилиндров №1 (ОП-1) с улучшенным водопотоком между патрубками клапанов и вставными седлами под клапаны; головка цилиндров имеет маркировку «А»;
- опытная головка цилиндров №2 (ОП-2) с маркировкой «О» в ней установлены вставные седла под клапаны;
- модернизированный двигатель (с установленными на него головками ОП-1 и ОП-2 цилиндров) с измененной схемой подвода воды, оборудованный опытным образцом турбокомпрессора ТКР-8.5.
С целью интенсификации охлаждения перемычек между клапанами в головке ОП-1 выполнены следующие отличия от серийной:
а) увеличен диаметр четырех водоподводящих отверстий - «пистолетов» с 12 до 14 мм;
б) устранены приливы под выхлопным патрубком, которые являются препятствием на пути движения жидкости от «пистолетов» к перемычкам между клапанами;
в) закрыты два отверстия диаметром 20 мм для протока воды из блока в головку.
Для улучшения охлаждения перемычек в головке (ОП-2) цилиндров выполнены горизонтальные и вертикальные перегородки, благодаря чему вся жидкость циркулирует по каналам рубашки, расположенным между впускным и выпускным клапанами.
Объем и последовательность испытаний были приняты следующими.
Снятие нагрузочных характеристик на двух комплектах форсунок (рабочем и контрольном);
а) для безнаддувочного варианта - на скоростных режимах «=2000, «=1800 и «=1500 мин-1 при 0впр = 27° до ВМТ; 0впр - угол опережения впрыска топлива;
б) для наддувочного варианта - на скоростных режимах «=2000, «=1800 и «=1500 мин-1 при 0впр= 27° до ВМТ.
При проведении испытаний были приняты меры, обеспечивающие получение сравнительных данных, в частности - температуры воздуха на входе в двигатель и в компрессор. Тепловое состояние узлов объекта исследования и величина Ре тах периодически контролировались в процессе испытаний.
С целью оценки испытываемых вариантов головок цилиндров все три варианта - серийная и две опытные - перед постановкой на двигатель были дообработаны под установку и заделку термопар по одному чертежу.
Схема расположения термопар представлена на рис. 1.
Замер температур нижней плиты головки цилиндров осуществляется девятью термопарами (по 3 точки на каждый цилиндр) с подключением последних на автоматический потенциометр ЭПП.09.М3 с классом точности 0,5, т. е. точность замера составляет ± 4 °С.
В таблице 1 представлены результаты тер-мометрирования серийной и опытных головок цилиндров.
Оценка серийной и опытных головок цилиндров по теплонапряженности производилась по отдельным поясам. К поясу I относятся точки 1 - 3, соответственно к поясу II - точки 4 - 6, а к поясу III - точки 7 - 9.
Как следует из табл. 1, наиболее нагретой частью является область головки цилиндров, обозначенная поясом II (точки 4 - 6), т. е. область перемычек клапанов со стороны камеры сгорания. Наименее нагретой частью
Рис. 1. Схема расположения термопар в головке цилиндров дизеля СМД-31
головки цилиндров является пояс III (точки 7 - 9), т. е. область, наиболее удаленная от камеры сгорания.
При установке на двигатель исследуемых головок цилиндров удельный расход топлива практически не изменялся.
Установка опытных головок на двигатель СМД-31 обеспечила снижение теплонапря-женности нижней плиты изделий.
Согласно приведенным в работе [4] программе и методике проведения испытаний, кафедрой ДВС ХНАДУ были проведены аналогичные исследования [5] с серийными образцами головок цилиндров газового ДВС 6Ч13/14 с искровым зажиганием.
Цель и объект испытаний
Целью испытаний является оценка теплового состояния элементов головок цилиндров газового двигателя 6Ч 13/14 с искровым зажиганием.
Объектом испытаний является серийная и усовершенствованная головки цилиндров газового двигателя 6Ч 13/14 с искровым зажиганием.
Т аблида 1 Результаты испытаний двигателя СМД-31 по термометрированию различных вариантов
головок цилиндров
Вариант п, мин-1 Замеры температур головок цилиндров °С ^ср °С ^п.ср °С ^оц.ср °С
т. 1 т. 2 т. 3 т. 4 т. 5 т. 6 т. 7 т. 8 т. 9
Серийная головка цилиндров 2000 374 394 396 428 411 407 345 350 350 384 386 382
1800 358 395 386 420 405 395 333 347 339 375 380 373
1500 349 370 370 402 377 376 333 332 322 359 366 357
ОП-1 головка цилинд- ров 2000 356 344 396 372 383 393 290 310 300 349 365 338
1800 341 345 369 356 369 384 285 305 295 337 351 332
1500 330 320 361 352 339 359 265 272 278 319 341 310
ОП-2 головка цилинд- ров 2000 359 346 398 373 385 394 293 310 302 351 367 343
1800 343 346 370 357 371 385 286 306 297 337 353 334
1500 332 323 360 354 343 359 265 271 279 321 338 312
Примечание:
tcp - средняя температура головки цилиндра, °С;
^п.сР - средняя температура головки цилиндра в межперемычечном пространстве клапанов, °С; ^ц.сР - средняя температура относительно центральной оси головки цилиндра, °С.
Серийные образцы головок, установленные щие конструктивные мероприятия по отно-
на каждый ряд цилиндров, приведены на шению к серийным деталям (см. рис. 4):
рис. 2.
Рис. 2. Каналы для подвода жидкости в серийных головках цилиндров газового ДВС 6Ч 13/14
Схема расположения термопар в серийных головках цилиндров газового ДВС представлена на рис. 3.
Снятие нагрузочных характеристик осуществлялось на двух скоростных режимах: п = 1800 и 1500 мин-1.
Результаты эксперимента и сравнение их со значениями температур аналогичных элементов головок цилиндров дизелей СМД-31
Результаты испытаний по термометрирова-нию серийных головок цилиндров газового двигателя 6Ч 13/14 с искровым зажиганием приведены в табл. 2.
Из результатов испытаний серийных головок цилиндров газового двигателя видно, что средняя температура стенок межперемычеч-ного пространства (см. пояс I) между клапанами слишком высокая [5]. На режиме, близком к номинальной мощности (Ые = 105 кВт, п = 1800 мин-1) tncp составила 429 °С. Это значение на 49 °С превышает значение температуры стенок межперемычечного пространства серийной головки цилиндров дизеля СМД-31, у которой при длительных испытаниях появлялись микротрещины в меж-перемычечном пространстве, и она приходила в негодность в процессе эксплуатации.
С целью интенсификации охлаждения перемычек между клапанами (учитывая опыт специалистов ГСКБД) авторами предлагаются опытные головки цилиндров для газового ДВС. В этих головках выполнены следую-
Рис. 3. Схема расположения термопар в головке цилиндров газового ДВС 6Ч 13/14
Рис. 4. Каналы в усовершенствованных головках цилиндров с улучшенным подводом жидкости к клапанным гнездам газового ДВС 6Ч 13/14
а) увеличен диаметр трех водоподводящих отверстий - «пистолетов» с 11 до 14 мм;
б) устранены приливы под выхлопным патрубком, которые препятствуют движению
Т аблица 2 Результаты испытаний по термометрированию серийных головок цилиндров двигателя
6Ч 13/14
Вариант п, мин-1 Замеры температур головок цилиндров, °С 4р, °С ^п..ср °С ^оц..ср °С
т. 1 т. 2 т. 3 т. 4 т. 5 т. 6
Серийная головка цилиндров газового ДВС 1800 434 424 429 340 332 336 384 429 336
1500 418 408 419 330 316 320 369 414 322
жидкости от «пистолетов» к перемычкам между клапанами.
После доработки и установки опытных головок цилиндров на ДВС необходимо оценить эффективность предлагаемых конструктивных мероприятий, а в случае положительных результатов провести длительные испытания элементов системы охлаждения газового двигателя на надежность.
Выводы
На основании проведенных испытаний по оценке теплового состояния элементов головки цилиндров газового ДВС 6Ч 13/14 можно сделать такие выводы:
- серийные головки цилиндров от дизеля ЯМЗ-236 можно рекомендовать устанавливать на газовые ДВС 6Ч 13/14, которые используются только в качестве силового агрегата на электрогенераторных установках с ограниченной (не номинальной) мощностью, не превышающей 80 кВт;
- усовершенствованные головки цилиндров (см. рис. 4) предполагается устанавливать на автотракторные двигатели. Но их можно будет рекомендовать в серийное производство только после проведения длительных испытаний двигателя 6Ч13/14 на надежность.
Литература
1. Стефановский Б.С., Новенников А.Л., Пи-кус В.И. О повышении работоспособности головки цилиндров дизелей с неразделенной камерой сгорания // Автомобильная промышленность. - 1976. - №3.
- С. 9 - 11.
2. Технический отчет № 1878-69 по опреде-
лению температурного поля нижней плиты головки цилиндров двигателя СМД-60: Отчет НИР / ГСКБД. - Харьков, 1969. - 18 с.
3. Определение эффективности мероприятий
по снижению температуры нижней плиты головки цилиндров двигателя СМД-17К / СМД-18К: Отчет НИР / ГСКБД. - Технический отчет № 268373. - Харьков, 1973. - 11 с.
4. Сериков С.А., Бороденко Ю.Н. Абрам-
чук Ф.И., Манойло В.М. Микропроцессорные системы управления газовыми двигателями внутреннего сгорания // XI Научно-техн. конф. с межд. уч. -Варна 19 - 20 май, 2005.
5. Иващенко Н.А., Сазонов Ю.И. Расчетное
исследование теплового состояния днища крышки цилиндра дизеля // Тепловая напряженность поршневых двигателей.
- Ярославль, 1978. - С. 49 - 56.
6. Исследование эффективности системы ох-
лаждения дизеля СМД-31 и СМД-31А в комплекте с опытным воздухозаборником РС10.05.18.000: Отчет НИР ГСКБД.
- Технический отчет №382-85. - Харьков, 1985. - 16 с.
7. Чернышев Г.Д., Хачиян А.С., Пикус В.И.
Рабочий процесс и теплонапряженность автомобильных дизелей / Под общ. ред. Г.Д. Чернышева. - М.: Машиностроение, 1986. - 216 с.
Рецензент: А.С. Полянский, профессор,
д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 18 ноября 2008 г.
