Оптико-геометрические характеристики теплообмена излучением в камере сгорания дизельного двигателя Текст научной статьи по специальности «Физика»

Научные труды Дальрыбвтуза. Том 31

ISSN 2222-4661

УДК 621.431.74.016

Б.И. Руднев, О.В. Повалихина

Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,

690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б

ОПТИКО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Проанализированы особенности расчета оптико-геометрических характеристик излучения применительно к полуразделенной камере сгорания (КС) дизельного двигателя типа 8ЧН13/14, представлены расчетные значения угловых коэффициентов излучения, полученные с учетом переменной геометрии излучающей системы. Отмечается, что между характером излучения угловых коэффициентов в функции относительного радиуса цилиндра и распределением радиационных тепловых потоков по поверхностям КС имеется четкая корреляция.

Ключевые слова: дизельный двигатель, камера сгорания, оптико-геометрические характеристики излучения, локальный радиационный тепловой поток.

B.I. Rudnev, O.V. Povalikhina

OPTICAL-GEOMETRICAL DATA RADIATIVE HEAT TRANSFER IN DIESEL

ENGINE COMBUSTION CHAMBER

Features of calculation optical-geometrical data radiative heat transfer applied to diesel engine combustion chamber are analyzed. Calculation data of angle coefficients radiation applied to diesel engine combustion chamber of type 8 CHN13/14 are presented. Correlation between of variation angle coefficients and radiative heat transfer considered in the article.

Key words: diesel engine, combustion chamber optical-geometrical data radiative heat transfer, local radiative heat flux.

Введение

Достоверное определение теплонапряженного состояния деталей, образующих КС дизельных двигателей, на стадии проектирования все еще вызывает у конструкторов значительные трудности. Это объясняется сложностью процесса локального радиационного теплообмена между рабочим телом и стенками КС и несовершенством существующих математических моделей (ММ), использующихся для его описания. Последнее заставляет исследователей искать новые подходы, направленные на совершенствование существующих ММ и включение в их состав элементов, позволяющих более детально описывать различные аспекты локального радиационного теплообмена в КС современных дизельных двигателей.

Геометрия излучающей системы дизельного двигателя с полуразделенной камерой сгорания и ее особенности

В настоящей работе рассматриваются элементы модифицированной ММ локального радиационного теплообмена в КС дизельного двигателя типа 8ЧН 13/14, в которой учитывается взаимодействие только собственного потока излучения объемной зоны V и соответствующих граничных (поверхностных) зон F1, F2 и F3 (рис. 1). ВМТ - верхняя мертвая точка; НМТ -нижняя мертвая точка. Основные положения этой ММ сводится к следующему. Процесс радиационного теплообмена в цилиндре дизельного двигателя с полуразделенной КС на установившемся режиме работы рассматривается нами на адекватной физической модели. Она представляет из себя замкнутую осесимметричную цилиндрическую излучающую систему.

80

Судовые энергетические установки, устройства и системы, технические средства судовождения, электрооборудование судов

Первая особенность этой системы в том, что она состоит из трех граничных (поверхностных) зон: 1 - крышка цилиндра - F1, 2 - боковая поверхность втулки цилиндра - F2, 3 - днище поршня - F3 и нескольких объемных зон. Вторая особенность излучающей системы заключается в нестационарном положении зоны 3 вдоль координаты Z.

Рис. 1. Зональная модель излучающей системы в цилиндре дизеля с полуразделенной КС Fig. 1. Zonal model radiative system in diesel engine combustion chamber

Это обуславливает нестационарность всех угловых коэффициентов излучения, характеризующих взаимодействие потоков излучения в КС и значительно усложняет решение задачи. Вместе с тем необходимо отметить, что поскольку время распространения электромагнитной волны излучения при ее скорости, равной 3-108 м/с, намного меньше времени перемещения зоны 3, обусловленной скоростью движения поршня (порядка 7-12 м/с), то условие квазистационарности tnp >> tr гарантированно выполняется. Последнее позволяет решать задачу локального радиационного теплообмена в КС дизельного двигателя применительно к непрерывно-дискретному случаю как квазистационарную для фиксированного момента времени (угла ПКВ) [1]. При этом предполагается, что все оптические и энергетические характеристики излучающей системы в течение времени At неизменны и изменяются скачком при переходе к следующему интервалу времени. Объемные зоны Vj представляют собой группу коаксиальных цилиндров, отличающихся радиусом rj, имеющих одинаковую высоту h и единую ось Z, совпадающую с осью цилиндра дизеля. Эта особенность излучающей системы является одним из принципиальных отличий предлагаемой ММ локального радиационного теплообмена в КС дизельного двигателя от ранее рассмотренной в [2]. Как известно [3], при фундаментальной постановке задачи локального радиационного теплообмена задаются оптические и энергетические характеристики всех зон, т.е. их степени черноты и температуры. Модификация фундаментальной постановки задачи, предложенная в настоящей работе, состоит в том, что эффективные потоки излучения от поверхностных зон F1, F2 и F3 не учитываются в силу ранее отмеченных в [4, 5] положений. Современные экспериментальные дан-

81

Научные труды Дальрыбвтуза. Том 31

ISSN 2222-4661

ные и расчетные методы [6, 7] позволяют задавать локальные значения оптических и энергетических характеристик объемных зон Vj.

Полное решение задачи должно включать распределение радиационных тепловых потоков по поверхностям днища поршня, крышки и втулки цилиндра, т.е.

£**51.2.3 = f (R’h,t )>

Еэф1,2,3 = f (R,h,t)- (1)

Ерез1,2,3 = f СR,h,t )

где Еп*д - падающий поток излучения, Вт/м2; Еэф - эффективный поток излучения, Вт/м2; Ерез - результирующий поток излучения, Вт/м2; t - текущее время рабочего процесса, с; R -радиус цилиндра двигателя, м; h - текущий ход поршня, м.

Однако в нашем случае эффективное излучение от поверхности крышки цилиндра, поршня и втулки не учитывается, и решение задачи сводится к нахождению результирующего потока Е рез1,2,3 = f {R,h,t X который будет приближенно равен падающему потоку Епад123 = f (R,h,t).

Из алгебраической аппроксимации точного решения исходных интегральных уравнений излучения [4] для падающего потока имеем

ЕпадМ,)=ZЕсо,(м,) <p(MrF,)+£Есоб(М,) 0(M„F„), (2)

Y=1 v=1

где Есоб - собственный поток излучения, Вт/м2; Ф(М,, Fk ) - разрешающий угловой коэффициент; v - объемная зона в КС; к - номер поверхностной зоны; m - номер объемной зоны.

В уравнении (2) первым слагаемым учитывается собственное излучение поверхностей Fi, F2 и F3 (см. рис. 1) и, как показано в [4], его вкладом в Епад(Мк) можно пренебречь, т.е. положить

i Есоб M, )Фм ,М, )= 0. (3)

У=1

Тогда падающий поток излучения можно определить по уравнению

m

Епад (М, ) = i Есб (м,) 0(Mv,F,)

v=1

(4)

В рассматриваемой нами ММ радиационного теплообмена в КС дизельного двигателя принято, что излучающая система не отражает излучение границами и не рассеивает его в объеме. В [8] была показана возможность отнесения частиц дизельной сажи к малым, вследствие этого рассеиванием излучения можно пренебречь. Отмеченные условия, как показано в [9], приводят к тому, что значение разрешающих угловых коэффициентов вырождается в соответствующее значение углового коэффициента излучения:

0(M„Ft)=V(M„Fl). (5)

82

Судовые энергетические установки, устройства и системы, технические средства судовождения, электрооборудование судов

Подставляя (5) в (4), получим

m

Е„„ (М, ) = £ Ео (M, )<p(M,.F,), (6)

v=1

где рМ,, F,)- геометрический угловой коэффициент.

Переход к системе с поглощающей средой может быть осуществлен с использованием зависимости

V (M,.Fk ) = p{M,.Fk )exp(- kL), (7)

где у/{м,,F,)- обобщенный угловой коэффициент; k - показатель ослабления излучения, м-1; L - эффективная длина пути луча, м.

С учетом (7) уравнение для падающего потока излучения от объемной зоны V на граничные поверхностные зоны F1, F2 и F3 запишется следующим образом:

Е„„ (M,) = Z Е,о (M,) )f(Mv,Fk )exp(- kL). (8)

v=1

Определение геометрических и обобщенных угловых коэффициентов излучения

Для расчета геометрических угловых коэффициентов излучения р{Мv, Fk) использовались уравнения, представленные в [3]. В частности, выражение для углового коэффициента излучения граничной поверхности F2 (см. рис. 1) на объемную зону V определенного радиуса T имеет вид [3]

Р12 = R

" 1 f X У

1 arccos

к 1Z J_

к Z

~4 Н

2кН

V

(X + 2)2 -4R2 arccosfRX J -XarcsinR

(9)

Угловой коэффициент излучения объемной зоны V радиуса Ti на граничную поверхность F2 (т.е. на поверхность втулки цилиндра) определяется по зависимости [3]

Р21 R Р12 ^

(10)

а угловой коэффициент излучения от объемной зоны V на граничную поверхность F3 (поверхность днища поршня) соответственно

1

1

Р23

2 i1 - R р12

(11)

83

Научные труды Дальрыбвтуза. Том 31

ISSN 2222-4661

В уравнениях (9)-(11) приняты следующие обозначения:

R = r2lr1; H = hr; X = H2 + R2 -1; Z = H2 -R2 +1. (12)

С учетом симметрии излучающей системы угловой коэффициент от объемной зоны V на граничную поверхность F1 (поверхность крышки цилиндра) будет равен коэффициенту ср23.

При расчете локальных радиационных тепловых потоков в КС дизельного двигателя необходимо учесть, что значения всех параметров (за исключением R), определяемых соотношениями (12), зависят от угла ПКВ, т.е. являются переменными. Связь параметров H, Xи Z с текущим углом ПКВ осуществляется по известной зависимости для кривошипно-шатунного механизма двигателя:

S = R( 1 - cos а + 0,52 sin2 а). (13)

В соответствии с принятой зональной излучающей системой (см. рис. 1) текущее значение перемещения поршня

S. = h0 + h. (14)

или S. = h0 + R ( 1 - cosa + 0^sin2 a), (15)

для любого фиксированного угла ПКВ при расчете угловых коэффициентов излучения с уче-

том схемы, представленной на рис. 1, используется выражение

h = h0R( 1 - cos а + 0,52 sin2 а), (16)

где Я - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Тогда для параметров, определяющихся по (12), имеем

R = rJR’. (17)

H = h/r =( h0 + R( 1 - cosa + 0^sin2 a))/r . (18)

X = H2 + R2 -1 = [( h0 + R( 1 - cosa + 0,5lsin2 a))/r. ]2 +(/R’)2 -1. (19)

Z = H2 -R2 +1 = [( h0 + R( 1 -cosa + 0^sin2a^/lr] -(/R’)2 +1. (20)

Полный вид расчетных зависимостей для обобщенных угловых коэффициентов излучения ввиду их громоздкости здесь не приводится и имеется в [4]. Расчет угловых коэффициентов излучения выполнялся на ПК по специальной программе. Результаты расчетов показаны на рис. 2, 3 и 4.

84

Судовые энергетические установки, устройства и системы, технические средства судовождения, электрооборудование судов

Рис. 2. Изменение угловых коэффициентов излучения от объемных зон на поверхности втулки цилиндра и поршня:_ф(му , F2 );__ф(му , F3 );

1 - У\ при Г\ = 10 мм; 2 - V2 при r2 = 30 мм; 3 - V\ при r3 = 57 мм Fig. 2. Variation angle coefficients radiation from volume of zones on surface line cylinder and piston: 1 - V1 for r1 = 10 mm; 2 - V2 for r2 = 30 mm; 3 - V1 for r3 = 57 mm

Рис. 3. Изменение угловых коэффициентов излучения от объемных зон по поверхности КС (положение коленчатого вала 20° после ВМТ): 1 - p(Mv , F3); 2 - ф(м„ , F2)

Fig. 3. Variation angle coefficients radiation from volume of zones on surface combustion chamber (crank angle 20 degrees after TDC): 1 - ф{мУт, F3); 2 - фМт, F2)

Рис. 4. Изменение угловых коэффициентов излучения от объемных зон на боковую поверхность выемки в поршне Fig. 4. Variation angle coefficients radiation from volume of zones on lateral surface of piston

85

Научные труды Дальрыбвтуза. Том 31

ISSN 2222-4661

Анализ представленных на них графиков позволяет сделать весьма важный вывод о том, что угловой коэффициент от объемных зон на поверхность втулки цилиндра ppMv ,F2) с

увеличением угла ПКВ возрастает, а на поверхности крышки цилиндра и днище поршня p^Vm,F3 )у меньшается.

Причем, чем меньше радиус объемной излучающей зоны, тем больше значение углового коэффициента излучения на поверхности крышки цилиндра и поршня ppMv ,F3). Для углового коэффициента от объемных зон на поверхность втулки цилиндра p[Mvm,F2) зависимость от радиуса имеет обратную тенденцию. На рис. 4 показано изменение углового коэффициента излучения от объемных зон ppMv , F3) на боковую поверхность выемки в поршне

F3 (см. рис. 1) в функции ее относительно радиуса. Из этого графика можно заключить, что боковая поверхность выемки в поршне F3 подвергается значительным радиационным тепловым нагрузкам. Последнее подтверждается и экспериментальными данными [10].

Такой характер изменения угловых коэффициентов излучения ppMv , F3) и P,m ■ FJ

приводит к тому, что расчетные значения локальных радиационных тепловых потоков достигают своего максимума в центре КС.

Это положение хорошо согласуется с экспериментальными данными [11] и свидетельствует о правильном учете основных особенностей радиационного теплообмена в КС дизельного двигателя при построении ММ.

Переход от геометрических коэффициентов излучения, представленных на рис. 2-4, к соответствующим значениям обобщенных угловых коэффициентов выполняется по зависимости (7). При этом характер изменения обобщенных угловых коэффициентов излучения в функции угла ПКВ и относительного радиуса излучающего объема остается прежним.

Детальные расчеты, результаты которых представлены в [4], показали, что поглощение в объеме КС дизельного двигателя не превышает 5-10 % от величины падающего потока излучения.

Заключение

Проведенный анализ особенностей расчета оптико-геометрических характеристик теплообмена излучением применительно к КС дизельного двигателя позволяет отметить следующее. Имеющиеся в научно-технической литературе формулы и графические зависимости для определения угловых коэффициентов излучения справедливы для систем, содержащих тела и поверхности относительно простой геометрической формы и находящихся в стационарном положении. В условиях работающего дизельного двигателя геометрия излучающей системы изменяется в зависимости от угла ПКВ, что существенно усложняет решение оптико-геометрической части задачи теплообмена излучением. Полученные авторами доклада расчетные данные по изменению угловых коэффициентов излучения между объемными зонами и поверхностями, образующими КС (поверхности крышки цилиндра, втулки и поршня), в зависимости от угла ПКВ и относительного радиуса имеют два аспекта применения. Первый аспект - для решения энергетической части задачи теплообмена излучением и расчета результирующих потоков излучения по вышеуказанным поверхностям КС. Второй аспект - для определения наиболее нагруженных в термическом отношении участков этих поверхностей, так как характер изменения угловых коэффициентов излучения в функции относительного радиуса КС коррелирует с распределением радиационных тепловых потоков. Последнее позволяет прогнозировать теплонапряженное состояние деталей цилиндропоршневой группы и решать ряд вопросов, связанных с повышением эксплуатационной надежности современных дизельных двигателей.

86

Судовые энергетические установки, устройства и системы, технические средства судовождения, электрооборудование судов

Список литературы

1. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Математические модели механизма и электродинамики сплошной среды. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 512 с.

2. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС: Алгоритмы прикладных программ / Р.М. Петриченко, С.А. Батурин, Ю.Н. Исаков и др. / под ред. Р.М. Петриченко. - Л.: Машиностроение, 1990. - 328 с.

3. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением: справ. - М.: Энер-гоатомиздат, 1991. - 432 с.

4. Руднев Б.И. Процессы локального теплообмена в камере сгорания дизелей. - Владивосток: Дальнаука, 2000. - 221 с.

5. Руднев Б. И., Повалихина О. В. Процессы теплообмена в камере сгорания дизельных двигателей. Эксперимент и математическое моделирование. Saarbrucken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. - 112 c.

6. Kawamura K., Saito A., Vaegashi T. et al. Measurement of flame temperature distribution in engines by using a two-color high speed shutter: TV camera system // SAE Preprints. - 1989. -№ 890320. - 8 p.

7. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 472 с.

8. Руднев Б.И., Повалихина О.В. Оптические параметры частиц сажи и энергетические характеристики радиационного теплообмена в камере сгорания дизельного двигателя // Тепловые процессы в технике. - 2013. - Т. 5, № 10. - С. 476-480.

9. Рубцов Н.А. Теплообмен излучением в сплошных средах. - Новосибирск: Наука, 1984. - 278 с.

10. Dent J.C., Siluman S.I. Convective and radiative heat transfer in a high swirl direct injection diesel engine // SAE Preprints. - 1977. - № 770407. - 26 p.

11. Kostin A.K., Rudnev B.I. Radiative heat transfer in a diesel cylinder an experiment and method of calculation // Heat and mass transfer in gasoline and diesel engines: Proc. 19th International Symposium. Dubrovnik, Yugoslavia, 1987. - P. 439-448.

Сведения об авторах: Руднев Борис Иванович, доктор технических наук, профессор;

Повалихина Ольга Владимировна, доцент, e-mail: роvаliсhinа@mаil.ru.

87