CC BY
57
УДК 621.43
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТИ ПОРШНЯ ДВС С ОКСИДИРОВАННЫМ ДНИЩЕМ
А. Л. Хохлов, канд. техн. наук, доцент
Технологический институт - филиал ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П. А. Столыпина»,
е-таП: [email protected]
Д. М. Марьин, аспирант; А. А. Глущенко, канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П. А. Столыпина»
Д. А. Уханов, доктор техн. наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. (8412) 62-85-17
Одним из способов уменьшения теплонапряженности поршней ДВС считается покрытие днища поршня и поршневых канавок оксидированной пленкой. Для оценки эффективности этого способа было выполнено теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение снижения теплонапряженности поршней ДВС нанесением микродугового оксидированного слоя на днище поршня и поршневые кольца. В основу теоретического обоснования положена теория передачи теплоты от рабочего тела через днище поршня с условным рассмотрением последнего в виде трехслойной стенки. Экспериментально установлено, что оксидирование днища поршня и поршневых канавок снижает температуру поршня не менее чем на 20...25 % по сравнению с типовым поршнем.
Ключевые слова: поршень, теплонапряженность, микродуговое оксидирование, оксидированный слой, тепловой поток.
Одной из основных задач современного двигателестроения является дальнейшее повышение технико-экономических показателей поршневых ДВС. Однако это приводит к увеличению механических и тепловых нагрузок на цилиндро-поршневую группу (ЦПГ) и на огневую поверхность головки цилиндров. Использование гильз цилиндров с измененными физико-механическими свойствами (металлизация) снижает трение и механические потери в ЦПГ [1-3]. Рост теплонапряженности деталей двигателя приводит к преждевременному износу трущихся поверхностей, залеганию поршневых колец и их поломкам, заклиниванию поршней, прогарам днища поршня и огневой поверхности камеры сгорания, расположенной в головке цилиндров, и т. п. Одним из направлений решения этой проблемы является теплоизоляция днища поршня и улучшение теплоотвода от деталей камеры сгорания ДВС [4-6].
Теплообмен на неустановившихся режимах работы двигателя с использованием теплоизолирующих материалов с низкой теплопроводностью является недостаточно изученным из-за сложности получения достоверных данных о граничных условиях этого процесса.
Зачастую на практике теплонапряжён-ность двигателя оценивают по температу-
ре отработавших газов (ОГ), поскольку она синхронно следует за изменением режима работы двигателя и относительно просто может быть измерена. Однако температура ОГ дает только приближенные сведения об изменении температуры деталей двигателя.
Наиболее нагруженной тепловой деталью ЦПГ двигателя является днище поршня, поэтому рассмотрим особенности распределения и передачи теплоты от рабочего тела (газа) через днище к поршню.
Поскольку характеристикой теплона-пряжённости днища поршня является максимальная температура поверхности охлаждения, то для приближённой оценки изменения теплонапряжённости поршня можно воспользоваться методом, основанным на определении удельного теплового потока через днище. Так как величина этого показателя является переменной по те-плопередающим поверхностям ЦПГ, то в целях упрощения можно рассматривать средний удельный тепловой поток отдельно для днища поршня в области камеры сгорания [7].
При практически неизменном значении температуры охлаждающей среды и поперечных размеров днища поршня оценка их средней тепловой напряжённости по существу может быть сведена к определению
величины среднего удельного потока через стенку (д). Этот показатель будет зависеть последовательно или от средней результирующей температуры газов за цикл (4рез), среднего по времени и по поверхности коэффициента теплоотдачи от газов к стенке (аг) и от температуры стенки (гсг), или от температурного перепада в стенке (^ = - ^к), коэффициента теплопроводности материала (И) и толщины стенки (52).
Сопоставление этих двух зависимостей для теплового потока позволяет определить некоторое усреднённое значение температуры стенки на горячей стороне, если условиться относительно выбора величин аг, 4рез, 4ск (рис. 1):
д = аг • ((
грез гстг
"2
стг ггск
), (1)
где д - средний удельный тепловой поток через днище; аг - коэффициент теплоотдачи от газов к днищу поршня; ^рез - средняя результирующая температура газов за цикл; 4тг - температура стенки днища поршня со стороны газов; гк - температура днища поршня со стороны картера; А -коэффициент теплопроводности материала днища поршня; б2 - толщина днища поршня.
Рис. 1. Передача теплоты через поршень
По формуле Эйхельберга удельный те-плопоток через поршень (дп) зависит от частоты вращения коленчатого вала, параметров воздуха на входе в цилиндр, коэффициента избытка воздуха, коэффициента наполнения и конструктивных особенностей ДВС [8, 9]:
Чп = в •( • р8 )0'5 • ^,
а
(2)
где п - частота вращения к. в. двигателя; р3 - давление воздуха на впуске; цн - коэффициент наполнения; а - коэффициент избытка воздуха; В - коэффициент,
зависящий от конструкции и технического состояния двигателя.
Выразив через д количество тепла, переданного единицей площади кольцевого сечения днища поршня, получим
Чп •п • К = 2 •п • к • Ч1 • "2
(3)
где Я - радиус кольцевого сечения днища поршня.
Поскольку температурные напряжения по периферии днища поршня больше, чем в центре, то для расчета принимаем Я равным радиусу поршня Яп, т. е. Я=Яп.
Тогда толщина днища поршня будет зависеть от радиуса Яп и от величины отношения тепловых потоков дп/д1:
¿2 = ^•Кп. (4)
2Ч1
Для определения теплонапряженности поршня с микродуговым оксидированием днища процесс теплопередачи необходимо рассматривать как перенос теплоты через трехслойную стенку. При этом первый слой составляет оксидированная пленка (¿1), второй - днище поршня (¿2), третий - слой моторного масла (¿3), попадающий на внутреннюю часть поршня для его охлаждения (рис. 1 и 2).
При этом условии
г >г >г >г , (5)
стг о ов гск' У*-'/
где 4тг - температура оксидированного слоя со стороны газов; 4 - температура стенки днища поршня под оксидированным слоем; О - температура днища поршня со стороны картера под слоем смазочного масла; гк - температура внешнего слоя смазочного масла.
Тогда удельный тепловой поток, проходящий через каждый слой, может быть выражен:
- для оксидированного слоя (дО)
до г • ((стг го0, "1
- для днища поршня (дд)
Чд = 1Т •(го - гов 0 "2
- для слоя масла (дм)
Ч = ^м • (г - г )
Чм с ков 1гск), "3
(6)
(7)
(8)
где Ао - теплопроводность оксидированного слоя; 51 - толщина оксидированного слоя; Ад - теплопроводность днища поршня; б2 - толщина днища поршня; Ам - теплопроводность слоя масла; 53 - толщина слоя масла.
Нива Поволжья № 2 (27) 2013 101
Рис. 2. Диаграмма распределения теплового потока через поршень с оксидированным днищем
Решая эти уравнения относительно теплового напора,получаем
1стг 1о Д Яо'
_ -Ё2, 1о 1ов = Д ' Яд,
1 - 1 =-7^ ■ Я .
ов гск 2 1м
(9) (10)
(11)
Суммируя выражения (9) - (11), полу-
чим
1 -1 = а
стг гск 1
Отсюда
Л
г 8Л 8~. 83 — +—- +—3
Хд Хм У
Я =
1 -1
стг_гск
А + ^ +
X ХА X
о д м
(12)
(13)
Поскольку теплопередача в камере сгорания осуществляется в основном излучением, то тепловой поток можно представить как сумму отраженного, поглощенного и пропущенного через днище поршня тепловых потоков:
Q = Яа + ЯР + ЯТ, (14)
где да - тепловой поток, отраженный от днища поршня; д^ - тепловой поток, поглощенный днищем поршня; ду - тепловой поток, пропущенный через днище поршня.
С учетом распределения и поглощения теплового потока (рис. 2) формула (14) может быть записана следующим образом:
Q = Яа + Яр+ Яу + Яо + Ям , (15) где до - тепловой поток, поглощенный оксидированным днищем поршня; дм - тепловой поток, поглощенный слоем охлаждающего масла.
а) б)
Рис. 3. Установка для определения теплонапряженности поршня. Общий вид (а), схема (б): 1 - поршень; 2 - цилиндр, 3 - прибор 1РО-400; 4 - цифровой мультиметр М 8900; 5 - теплоизоляция; 6 - термопара; 7 - термометр; 8 - песок речной
Отраженный от днища поршня тепловой напор
t -1
п _ о ов
Ча~ X ■
(16)
2
Для экспериментального подтверждения теоретических предпосылок были изготовлены экспериментальные поршни с оксидированным днищем и оксидированными канавками под поршневые кольца. Образование на поршнях поверхностного оксидированного слоя толщиной до 25...30 мкм осуществлялось методом микродугового оксидирования в водном растворе на основе ортофосфорной кислоты (Н3РО4) - 180 г/л, в течение 60 мин при плотности тока 4 А/дм2, напряжением 250 В [10-13].
Для определения теплонапряженности проводились сравнительные лабораторные исследования типового поршня и поршня с оксидированным днищем (рис. 3).
Температура поршня определялась прибором LP0-400 с помощью встроенной и предварительно протарированной термопары и цифрового мультиметра М890С (рис. 3а) [14].
Для крепления термопары 6 на внутренней части днища поршня 1 по оси симметрии высверливали отверстие диаметром 3 мм
на расстоянии 1 мм от рабочей поверхности. Цилиндр с отверстием для установки термометра 7 (пределы измерения от 273 до 573 К) устанавливался в песчаную ванну 8. Исследуемый поршень устанавливался в цилиндр 2 (рис. 3 б) с предварительной теплоизоляцией 5 поршневых канавок. Температуру речного песка и внутренней поверхности днища поршня фиксировали через каждые 60 сек. Исследования проводились до температуры 230 °С, соответствующей средней температуре поршня в условиях эксплуатации двигателей УМЗ-421, установленных на автомобили. Для полноты получения зависимостей исследования проводились в два этапа: I - исследования типового и оксидированного поршня, II -исследования типового и оксидированного поршня с присутствием масляной пленки на внутренней поверхности поршней [15].
В результате проведенных исследований установлено (рис. 4), что до температуры нагрева 65 °С температуры внутренней поверхности поршня и днища поршня оставались одинаковыми. С последующим ростом температуры нагрева разница между температурами указанных поверхностей стала увеличиваться и при достижении 230 °С в I случае составила 33 °С, во II (с использованием масляной пленки) - 46 °С.
t 0С
■ъпдп. ^
30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230
t 0 С
■тндп, ^
типовои ™ ш типовои с масленной пленкой •о» оксидированный • ■ • оксидированный с масленной пленкой
Рис. 4. Изменение температуры внутренней поверхности поршня @впдп) от температуры нагрева (ндп) днища поршня
Нива Поволжья № 2 (27) 2013 103
Таким образом, результаты исследова- снизить температуру поршня на 25 %, а ний показывают, что оксидирование днища при наличии смазочного слоя - на 38 % по поршня и поршневых канавок позволяет сравнению с типовым поршнем.
Литература
1. Патент № 2440503 Россия, МПК Р02Р1/18. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания / А. Л. Хохлов, И Р. Салахутдинов, Е. С. Зыкин, К. У. Сафаров -№ 2010100006/06; заяв. 11.01.2011; опубл. 20.01.12, Бюл. № 2.
2. Патент № 2451810 Россия, МПК Р02 Р1/20. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания / А. Л. Хохлов, Д. А. Уханов, И Р. Салахутдинов, А. А. Хохлов -№ 2011100391/06; заяв. 11.01.2011; опубл. 27.05.12, Бюл. № 15.
3. Патент № 93465 Россия, МПК Р02Р 1/00. Цилиндропоршневая группа / А. Л. Хохлов, И. Р. Салахутдинов, Е. С. Зыкин, К. У. Сафаров. - № 2010100259/22; заяв.11.01.2010; опубл. 27.04.2010, Бюл. № 12.
4. Патент № 2439211 РФ, МПК Р02Р 3/12. Способ обработки поршней двигателей внутреннего сгорания из алюминия, титана и их сплавов / И. А. Казанцев, А. О. Кривенков, С. Н. Чугунов, А. Л. Хохлов, В. А. Степанов, К. У. Сафаров. - № 2010140537/02; за-яв.04.10.2010; опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1.
5. Повышение износостойкости гильз цилиндров ДВС / И. Р. Салахутдинов, А. Л. Хохлов,
A. А. Глущенко, К. У. Сафаров, Е. Н. Прошкин // Вестник УГСХА. - Ульяновск: УГСХА. -2011. - № 1. - С. 102-105.
6. Сибриков, Д. А. Снижение теплонапряженности поршневых групп судовых дизелей: дис.... канд. техн. наук / Д. А. Сибриков. - Новосибирск, 2004. - 122 с.
7. Иванов, Л. А. Теплонапряжённость и эксплуатационная надёжность цилиндропоршне-вой группы судового дизеля / Л. А. Иванов. - Мурманск: Мурманское книжное издательство, 1974. - 270 с.
8. Костин, А. К. Работа дизелей в условиях эксплуатации / А. К. Костин, Б. П. Пугачёв, Ю. Ю. Кочинев. - Л.: Машиностроение, 1989. - 286 с.
9. Костин, А. К. Теплонапряжённость двигателей внутреннего сгорания / А. К. Костин,
B. В. Ларионов, Л. И. Михайлов. - Л.: Машиностроение, 1979. - 224 с.
10. Марьин, Д. М. Способы снижения телонапряженности поршней / Д. М. Марьин, А. Л. Хохлов // Наука в современных условиях: от идеи до внедрения: материалы международной научно-практической конференции. - Димитровград: ТИ УГСХА, 2012. - С. 84-87.
11. Микродуговое оксидирование как способ снижения теплонапряженности поршней / Д. М. Марьин, А. Л. Хохлов, Д. А. Уханов, В. А. Степанов // Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники: материалы 25-го Международного научно-технического семинара им. В. В. Михайлова. - Саратов: СГАУ, 2012. - С. 154-156.
12. Степанов, В. А. Микродуговое оксидирование поверхности деталей из алюминиевых сплавов / В. А. Степанов, А. Л. Хохлов, К. У. Сафаров // Материалы 11-й Открытой Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Ч. 2.: Молодежь и наука XXI века. - Ульяновск: УГСХА, 2007 - С. 45-48.
13. Степанов, В. А. Теоретические закономерности и механизм формирования модифицированного слоя методом микродугового оксидирования / В. А. Степанов, А. Л. Хохлов, К. У. Сафаров // Наука в современных условиях: от идеи до внедрения: материалы Международной научно-практической конференции. - Ульяновск: УлГТУ, 2008. - С. 67-70.
14. Марьин, Д. М. Результаты исследований теплопроводности поршня с оксидированным днищем / Д. М. Марьин, А. Л. Хохлов // Аграрная наука и образование на современном этапе развития: Опыт, проблемы и пути их решения: материалы IV Международной научно-практической конференции. - Ульяновск: УГСХА, 2012. - С. 100-104.
15. Результаты моторных исследований двигателя УМЗ-417 с биметаллизированными гильзами цилиндров / Д. А. Уханов, И. Р. Салахутдинов, А. Л. Хохлов, А. А. Глущенко // Нива Поволжья. - 2011. - № 4 (21). - С. 66-70.
UDK 621.43
THE RESULTS OF THEORETICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF HEAT TENSIONS OF THE PISTIN THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH OXIDIZED BOTTOM
A. L. Khokhlov, candidate of technical sciences, assistant professor
Technological Institute - branch FSBEE HPT «Ulyanovsk SAA in the name of P. A. Stolypin»,
Russia, e-mail: [email protected]
D. M. Marjin, post graduate; A. A. Glushchenko, candidate of technical sciences, assistant professor FSBEE HPT «Ulyanovsk SAA in the name of P. A. Stolypin», Russia D. A. Ukhanov, doctor of technical sciences, professor FSBEE HPT «Penza SAA», Russia, t. (8412) 62-85-17
The article deals with one of the ways to reduce heat tensions of the piston in the internal combustion engine by covering its bottom and piston grooves with oxidized layer. To estimate the efficiency of this method theoretical substantiation has been done and experimental confirmation of the reduction of heat tensions of the piston in the internal combustion engine by applying micro-arc oxidized layer on the bottom of the piston and piston rings has been obtained. The basis of the theoretical substantiation is the theory of transmission of heat from the body through the bottom of the piston, with contingent consideration of the latter in the form of a three-layer wall. It is experimentally established, that oxidation of the bottom of the piston and piston grooves lowers the temperature of the piston of not less than 20-25 % in comparison with the standard piston.
Key words: piston, heat tensions, anode micro-arc oxidizing, oxidizing layer, heat flow.
References
1. Patent № 2440503 Russia, the IPC F02F1/18. Cylinder-piston group internal combustion engine / A. L. Khokhlov, I. R. Salakhutdinov, E. S. Zykin, K. U. Safarov. - No. 2010100006/06; appl. 11.01.2011; publ. 20.01.12, Byull. № 2.
2. Patent № 2451810 Russia, the IPC F02 F1/20. Cylinder-piston group internal combustion engine / A. L. Khokhlov, D. A. Ukhanov, I. R. Salakhutdinov, A. A. Khokhlov. - No. 2011100391/06; appl. 11.01.2011; publ. 27.05.12, Byull. № 15.
3. Patent № 93465 Russia, the IPC F02F 1/00. Cylinder-piston group internal combustion engine / A. L. Khokhlov, I. R. Salakhutdinov, E. S. Zykin, K. U. Safarov. - № 2010100259/22; Appl. 11.01.2010; Publ. 27.04.2010, Byull. № 12.
4. Patent № 2439211 of the Russian Federation, the IPC F02F 3/12. A method of treating the piston in the internal combustion engines in aluminum, titanium and their alloys/ I. A. Kazantsev,
A. O. Krivenkov, S. N. Chugunovl, A. L. Khokhlov, V. A. Stepanov, K. U. Safarov. -№ 2010140537/02; application 04.10.2010; published 10.01.2012, Bull. № 1.
5. Increase of wear resistance of the cylinder liner of internal combustion engine / I. R. Salakhutdinov, A. L. Khokhlov, A. A. Glushchenko, K. U. Safarov, E. N. Proshkin // Vestnik USAA. - Ulyanovsk: USAA. - 2011. - № 1. - P. 102-105.
6. Sibrikov, D. A. Reduction of heat tensions of the piston groups of marine diesel engines: the thesis... c. t. s. / D. A. Sibrikov. - Novosibirsk, 2004. - 122 p.
7. Ivanov, L. A. Calorific and operational reliability of cylinder-and-piston group of marine diesel / L. A. Ivanov. - Murmansk: Murmansk book publishing house, 1974. - 270 p.
8. Kostin, A. K. The work of the diesel engines in operating conditions / A. K. Kostin,
B. P. Pugachev, Y. U. Cochinev. - L.: Machinery, 1989. - 286 p.
9. Kostin, A. K. Calorific internal combustion engines / A. K. Kostin V. V., Larionov, L. I. Mikhailov. - L.: Machinery, 1979. - 224 p.
10 Marin, D. M. Ways of reducing heat tensions in pistons / D. M Marin, A. L Khokhlov // Science in the modern conditions: from idea to introduction: Materials of the international scientifically-practical conference - Dimitrovgrad: TI USAA, 2012. - P. 84-87.
11. Anode micro-arc oxidizing as a way of reducing heat tensions in pistons / D. M. Marin, A. L. Khokhlov, D. A. Ukhanov, V. A. Stepanov // Problems of economical and exploitation of automotive technology: materials of the 25-th International scientific-technical seminar them / V. V. Mikhailov. - Saratov: SSAU, 2012. - P. 154-156.
Нива Поволжья № 2 (27) 2013 105
12. Stepanov, V A. Anode micro-arc oxidizing surface of parts from aluminium alloys. /V. A. Stepanov, A. L. Khokhlov, K. U. Safarov // Materials of the Il-nd Open all - Russian scientific-practical conference of young scientists. Part 2: Youth and science of XXI century. - L. Ulyanovsk: УГСХА, 2007. - Р. 45-48.
13. Stepanov, V. A. Theoretical regularities and the mechanism of formation of the modified layer method of micro-arc oxidation /V. A. Stepanov, A. L. Khokhlov, K. U. Safarov // Science in the modern conditions: from idea to introduction: Materials of the International scientific - practical conference. - Ulyanovsk: The SEIHPE «UlSTU», 2008. - Р. 67-70.
14. Marjin, D. M. The results of studies of the thermal conductivity of piston with chemically oxidized bottom/ D. M. Marjin, A. L. Khokhlov // Agrarian science and education at the present stage of development: experience, problems and ways of their solution: Materials of IV International scientific-practical conference. - Ulyanovsk: USAA. 2012. - Р. 100-104.
15. The results of motor research of engine UMZ-417 with bi-metalized cylinder liners / D. A. Ukhanov, I. R. Salakhutdinov, A. L. Khokhlov, A. A. Glushchenko // Niva Povolzhya. - 2011. -№ 4 (21). - Р. 66-70.
