CC BY
53
ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА
УДК 621.43.016.4(031)
ВИЗНАЧЕННЯ ДИНАМ1КИ ТЕПЛОВОГО СТАНУ Г1ЛЬЗИ ЦИЛ1НДР1В I ОХОЛОДНИКА ЗА НОМ1НАЛЬНО1 ПОТУЖНОСТ1 АВТОМОБ1ЛЬНОГО
ДВИГУНА
Г.С. Гудз, професор, д.т.н., М.В. Глобчак, доцент, к.т.н., О.Й. Коцюмбас, асистент, Нащональний ун1верситет «Льв1вська полггехшка»
Анотаця. До^джено вплив конструктивных параметр1в гтьзи цилтдр1в двигуна ЗМЗ-511.10 на гг температурний режим за максимальног потужностг комп 'ютерним моделюванням.
Ключов1 слова: гтьза цилтдр1в, ремонтний розм1р, математична модель, граничт умови, кваз1усталений режим.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИКИ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРОВ И ОХЛАДИТЕЛЯ ПРИ НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Г.С. Гудз, профессор, д.т.н., М.В. Глобчак, доцент, к.т.н., О.И. Коцюмбас, ассистент, Национальный университет «Львовская политехника»
Аннотация. Исследовано влияние конструктивных параметров гильзы цилиндров двигателя ЗМЗ-511.10 на ее температурный режим при максимальной мощности компьютерным моделированием.
Ключевые слова: гильза цилиндров, ремонтный размер, математическая модель, предельные условия, квазиустановившийся режим.
DETERMINATION OF THERMAL STATE DYNAMICS OF CYLINDERS SLEEV AND COOLER AT NOMINAL OF AUTOMIBEILE ENGINE POWER
G. Hudz, Professor, Doctor of Technical Science, M. Hlobchak, Associate Professor, Candidate of Technical Science, O. Kotsiumbas, Assistant, Lviv Politechnic National University
Abstract. The influence of constructive parameters of ЗМЗ-511.10 engine cylinder sleeve on its temperature mode of maximal power rate by computer modeling is investigated.
Key words: cylinder sleeve, repair size, mathematical model, extreme conditions, quasi - established mode.
Вступ
У статп [1] визначено час переходу системи охолодження двигуна внутршнього згоряння (ДВЗ) на квазiусталений тепловий режим ро-боти за мшмальних навантажень. Даний режим е найбшьш несприятливим для довкшля. Доцшьним е дослщження шших режимiв ро-
боти ДВЗ, зокрема за максимально! (ном> нально!) потужносп.
Анал1з публжацш
Термодинамiчнi процеси у ДВЗ грунтовно висвгглено у працях [2-5], а вплив геометри-чних параметрiв гшьз на !х температурний
режим за мшшальних навантажень досл1-джено в робот [1]. Тепловий стан гшьзи ДВЗ за шших характерних режим1в { геометрич-них параметр1в практично не розглядався.
Мета та постановка задачi
Дослщити динамшу температурного стану охолоджувального середовища та гшьз ци-лшдр1в номшального 1 ремонтного розм1р1в за номшально! потужносп ДВЗ методом ма-тематичного моделювання.
Матерiали i результати дослiдження
Динамша змши температурних пол1в та про-цеси тепломасопереносу у складних об'ектах з розподшеними параметрами описуеться системою р1внянь у часткових похщних
дх
\ (х,у, z, t))-
дх
ду
\ (х,у,z,t))-ду
д_
' dz
Хг (х, у, z, t)
dt_ dz
дх
X2 (х, у, z, t)
dt_ дх
+ q (х у,z ) = ciPi
X2 (х, у, z, t)
_д_
ду
дт'
с__
ду
(1)
д_
'dz
X 2 (х, у, z, t)
dt_
dz
= C2p2
дт ''
(2)
де 1ндекси 7 = 1,2 вщповщають: 7 = 1 - мате-р1алу цилвдра (1), 7 = 2 - охолоджувальному середовищу (2); Х7 (х, у, г, 7), (7 = 1,2)- коеф> щенти теплопровщносп; д(х, у, г) - густина теплового потоку; с7 (х,у,г,7)-р7 (х,у,г,7), (7 = 1,2) - об'емна теплоемнють; 7 - температура; т - час; х, у, г - поточш координати.
Як I для розв'язку задач1 в робот [1], в цьому випадку для дослщження використано про-грамний комплекс ¡з заданням вщповщних для даних режим1в початкових та граничних умов [5].
Для визначення густини теплового потоку, тобто граничних умов другого роду (ГУ-2) на внутршнш поверхш цилшдра, було проведено тепловий розрахунок двигуна ЗМЗ-511.10 на режим1 холостого ходу та режимах, що вщповщають максимальному обертовому моменту та номшальнш потужносп, за методикою [6].
В результат розрахунку визначено складов1 теплового балансу [1]:
Q = Qe + Qox + бвг + Qh3 + бол + Q3
(3)
де Q - теплота згоряння витраченого пали-ва; Qе - теплота, екв1валентна ефективнш робот; Qох - теплота, вщведена охолоджу-вальним середовищем; Qвг - теплота, що виноситься вщпрацьованими газами; Qнз -теплота, втрачена внаслщок неповного згоряння палива; Qол - теплота, вщведена оливою; Qз - теплота, не врахована складовими теплового балансу.
Числов1 значення складових теплового балансу зведено в табл. 1, а вщсотков1 - показано на рис. 1.
q. % 80 60 40
20
О
600 1000
, //// V3 ////
V
\\ \ щ ///// 1А
\/У й
тт \шш
ш шшь шш gjp YA
2000
3000 п, хв-1
Рис. 1. B^cotkobí складовi теплового балансу
Таблиця 1 Складов! теплового балансу
Частота обертання кол1нчатого вала п, хв-1 Складов1, кВт Загальна шльшсть теплоти Q, кВт
Qe Qох QBr Qh3 Q3
600 17,23 21,55 16,03 22,98 3,64 81,43
2200 65,36 65,31 72,89 17,88 31,96 253,4
3200 84,71 82,39 108,84 24,74 50 350,68
За результатами подальших розрахунюв отримано середш густини теплових потокiв, яю становлять: при холостому ходi ^ = 48,8 кВт/м2, за номшальною потужнiстю q2 = 186,6 кВт/м2. Максимальна густина теплового потоку розподшена по висотi цилiнд-ра за законом [1, 3] (рис. 2).
Рис. 2. Граничш умови для розв'язку задачi з позначеннями: 234 - густина теплового
потоку, кВт/м2, 3200 - коефщент теп-ловщдач^ Вт/(м2 • град); цифрами по перифери моделi позначено координати вузлiв
Оцiнку iнтенсивностi теплообмiну мiж зов-нiшньою поверхнею гiльзи й охолоджуваль-ним середовищем (ГУ-3) проведено у два етапи: на початку процесу, для випадку вщ-сутност поверхневого кипiння - за методикою та формулою Г.Б. Розенблга, викорис-таною в роботi [1]; далi - за критерiальною залежшстю для визначення коефiцieнтiв теп-ловiддачi а , запропонованою А.К. Костшим [3] та узгодженою з даними шших лггератур-них джерел [2, 7]
а=№ • ^2 /(^шт ) ,
(4)
де Ки - критерш Нусельта для гiльзи ци-лiндра
Ш = 0,012К ф4 (Ре')0,7
(а V
d1
0
Р0
Рг0,3 ;(5)
dmln - визначальний розмiр (мiнiмальний дiаметр парово! бульбашки),
dmln = 4с?;/ (гр"АГ; ); с» 0,0589 Н/м - пове-рхневий натяг [6]; Т; - температура стiнки, А? = Т; - ?ох , ?ох - середня температура охолодника (визначальна температура); г » 2,26 •Ю6 Дж/кг - прихована питома теплота пароутворення [6]; р''» 0,6 кг/м3 - густина пари охолодника; Кф - критерiй фазового перетворення, Кф = г/[(? - ?ох )ср ]; ср = 4200 Дж/ (кг • К) - теплоемнють охолодника; Ре ' - критерiй Пекле для процесу ки-пiння, Ре '' = qdmln/(гр "а); а = 1,66•Ю-7 м2/с -коефщент температуропровiдностi охолодника; d1 - внутрiшнiй дiаметр сорочки охо-лодження; de - е^валентний дiаметр, що складае подвоену товщину шару охолодника; р, р0 - вщповщно тиск в системi охоло-дження i барометричний тиск; Рг»1,75 -критерiй Прандтля.
Слiд зазначити, що загальний час проведення випробувань формувався двома складовими, а саме: перша - мшмальними густинами теплового потоку q, коефiцiентами тепловщда-чi а та вщповщним часовим кроком Ат [1] впродовж т = 30 с ; друга - максимальними величинами q та а, отриманими за залеж-ностями (4) та (5), а також кроком Ат = 0,0375 с, що вщповщае одному циклу (двом обертам) колiнчатого вала на режимi номшально! потужностi (п = 3200 хв-1).
Отриманi значення максимальних густин теплових потокiв та коефщента тепловiддачi пiсля т = 30 с показано на схемi теплообмiну на поверхнях гшьзи цилiндрiв (рис. 2).
В результат моделювання процесу отримано нестацюнарне температурне поле гiльзи та охолодника, фрагмент змши якого для харак-терних вузлiв створено! моделi наведено на рис. 3.
З розгляду рис. 3 можна констатувати, що рiзниця е несуттевою як мiж температурами зовшшньо! поверхнi гiльзи номiнального та ремонтного розмiрiв (максимум 3-4°), так i за часом !! про^вання. Слiд вiдзачити знач-не вщставання в часi прогрiвання охолодника вщ гiльзи внаслiдок !х рiзних теплофiзичних параметрiв.
е
Рис. 3. Змша температури поверхш гшьзи (1) та охолодника (2) вщ часу за максимальних на-вантажень для: н, в - вщповщно гiльзи номiнального та ремонтного розмiрiв
Висновок
Методом математичного моделювання отри-мано результати динамiки теплового стану гшьз цилiндрiв i охолодника ДВЗ за мшма-льних та максимальних параметрiв: наванта-жень, умов тепловiддачi та регламентованих ремонтних розмiрiв гiльз цилiндрiв. Це дозволить надалi системно пiдiйти до досл> джень комплексного впливу вказаних чинни-кiв на час переходу ДВЗ на кв^усталений тепловий режим.
Лiтература
1. Гудз Г. С. Визначення температурних полiв
та часу досягнення стабшзацп теплового стану гшьзи цилiндрiв i охолодника / Г.С. Гудз, М.В. Глобчак, О.Й. Коцюмбас // Вюник Схщноукрашського нащона-льного унiверситету iменi Володимира Даля. - Луганськ. - 2010. - № 6 (148). С.110-113.
2. Дьяченко Н.Х. Теплообмен в двигателях и
теплонапряженность их деталей / Н.Х. Дьяченко, С.Н. Дашков, А.К. Костин, М.М. Бурин ; под ред. С.Н. Дашкова. - Ленинград : Машиностроение, 1969. - 248 с.
3. Костин А.К. Теплонапряженность двигате-
лей внутреннего сгорания / А.К. Костин,
В.В. Ларионов, Л.И Михайлов ; под ред.
A.К. Костина. - Ленинград : Машиностроение, 1979. - 222 с.
4. Мищенко Н.И. Расчет параметров во впу-
скном трубопроводе бензинового двигателя с различными способами регулирования нагрузки и степени сжатия / Н.И. Мищенко // Вюник Схщноукраш-ського нащонального ушверситету iменi
B. Даля. - Луганськ. - 2008. - № 7 (125), ч. 2. - С. 79-84.
5. Сиволапов В.А. Исследование процессов
теплопередачи в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания / В.А. Сиволапов, А.Г. Тарапон // Моделювання та шфор-мацшш технологи : зб. наук. праць. -К. : 1ПМЕ НАН Украни. - 2000. - Вип. 3. - С. 10-15.
6. Шароглазов Б.А. Двигатели внутреннего
сгорания: теория, моделирование и расчёт процессов / Б.А. Шароглазов, М.Ф. Фарафонтов, В.В. Клементьев ; под ред. Б. А. Шароглазова. - Челябинск : Изд. ЮУрГУ, 2004. - 344 с.
Рецензент: А.В. Бажинов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 12 серпня 2010 р.
