Снижение тепловых потерь через детали ЦПГ двигателей типа чн25/34 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.432

ЛИТВИН С.Н., к.т.н., доцент (Первомайский политехнический институт Национального университета кораблестроения имени адмирала Макарова, Украина),

МАНЗЮК В.Н., аспирант (Первомайский политехнический институт Национального университета кораблестроения имени адмирала Макарова, Украина)

Снижение тепловых потерь через детали ЦПГ двигателей типа ЧН25/34

Lytvyn S.N., associate Professor (Pervomayskaya Polytechnic Institute National University of shipbuilding named after Admiral Makarov, Ukraine),

Manzyuk V.N., aspirant (Pervomayskaya Polytechnic Institute National University of shipbuilding named after Admiral Makarov, Ukraine)

Reducing heat losses through CPG details of engines type ЧН25/34

Введение

Повышение ресурсных показателей и топливной экономичности определяется многими факторами, и зависят от ряда конструктивных и регулировочных параметров двигателя: качества рабочего процесса двигателя, работы отдельных его систем (топливной, воздухоснабжения, охлаждения и т.д.), степени совершенства его деталей и узлов, свойств применяемого топлива. При прочих равных условиях работоспособность двигателя и его топливная экономичность в значительной степени зависят от теплового состояния деталей цилиндро-поршневой группы, которое определяет уровень тепловых потерь в масло и охлаждающую жидкость [1, 2, 3, 4]. Поэтому при создании и модернизации двигателей значительное внимание уделяется оптимизации теплового состояния деталей ЦПГ -поршня, втулки рабочего цилиндра и крышки. С целью улучшения технико-экономических показателей двигателя ЧН25/34 при форсировании его до Рте=1,3МПа значительное внимание уделено снижению те-плових потерь через детали ЦПГ.

Постановка задачи

Для снижения тепловых потерь через детали ЦПГ двигателя 6ЧН25/34 при его

форсировании до Рте =1,3МПа была поставлена задача экспериментальным путем выполнить замеры температур деталей ци-линдро-поршневой группы и на основании полученных результатов, расчетных исследований, учета передового отечественного и зарубежного опыта оптимизировать тепловое состояние деталей ЦПГ, подтвердить полученные результаты экспериментально и выбрать рациональное конструктивное исполнение деталей ЦПГ. Объектом исследования являются базовые детали двигателя: поршень, втулка и крышка рабочего цилиндра. Исследования проводятся при работе двигателя на дизельном топливе.

Основной материал

С целью получения исходных данных для оптимизации теплового состояния двигателя 6ЧН25/34 были выполнены замеры температур базовых деталей. Замеры осуществлялись хромель-копелевыми термопарами компенсационным методом, исключающим влияние сопротивления измерительной цепи на точность измерений. Технология изготовления термопар, работа с ними и оценка погрешности измерений описаны в [5, 6, 7, 8, 9].

Тепловое состояние поршня на номинальном режиме характеризуется следующими значениями температур: в центре огневого днища - 298оС, на гребне - 335оС,

над первым поршневым компрессионным кольцом - 180оС.

Сравнение теплового состояния поршня дизеля 8ЧН25/24 с Рте=0,99МПа и 6ЧН25/24 с Рте=1,3МПа показало, что форсирование двигателя по среднему эффективному давлению на 30%, повысило уровень температур поршня на 10-15оС. Однако полученный уровень температур следует признать низким. Это свидетельствует об интенсивном охлаждении поршня и значительных тепловых потерях в охлаждающее масло.

Для снижения тепловых потерь целесообразно уровень температур по днищу поршня довести до значений 350-400оС, избежав существенного роста температур в районе первого поршневого кольца [3].

Уровни температур по днищу крышки рабочего цилиндра также являются заниженными, но довольно равномерными, что свидетельствует о высоком уровне ее конструктивного исполнения и хорошей организации охлаждения. Значения температур по днищу лежат в пределах 235-270оС, что так же, как и по поршню свидетельствует о существенных потерях теплоты в охлаждающую воду. Учитывая сложное конструктивное исполнение крышки рабочего цилиндра, высокие механические и термические напряжения в ней ее конструкция изменена минимально - увеличена лишь толщина огневого днища из-за увеличения на 30% Ртах.

Аналогичная картина наблюдается и по зеркалу втулки рабочего цилиндра, где максимальная температура составляет 275оС и наблюдается в зоне кармана выхлопного клапана. Это объясняется интенсивной теплоотдачей от газов в процессе выпуска. Интенсивной передачей тепла от втулки в воздух в процессе впуска объясняется низкое значение температуры в кармане впускного клапана - 178оС. В зоне охлаждения водой уровни температур по зеркалу втулки рабочего цилиндра очень низкие и по высоте втулки изменяются в пределах 90-115оС.

Таким образом, оценив тепловое состояние деталей цилиндро - поршневой

группы дизеля 6ЧН25/24 с Рте=1,3МПа можно сделать выводы о значительных тепловых потерях в поршень, крышку и втулку рабочего цилиндра. С целью проверки сделанного предположения были проведены теплобалансовые испытания, показавшие, что потери теплоты в крышку и втулку рабочего цилиндра на номинальном режиме работы двигателя составляют 15% от теплоты, вносимой в двигатель с топливом. А потери в масло при серийной схеме охлаждения поршня составляют 4,7%, что значительно выше относительных потерь для современных двигателей.

Для уменьшения тепловых потерь через поверхность зеркала рабочего цилиндра необходимо повысить температуру до максимально возможных значений. Для этого изменено место подвода охлаждающей воды. Традиционным является подвод воды в нижнюю часть блока, что имеет место и на двигателе 6ЧН25/34 (Рис.1,а). Однако это является нецелесообразным, и не только потому, что приводит к повышенным тепловым потерям, а также потому, что увеличивается работа трения из-за увеличения вязкости масла при низких температурах. Поэтому подвод воды решено перенести в верхнюю часть блока, а нижнюю часть втулки охлаждать конвективно (Рис.1,б).

Эффективность переноса места подвода охлаждающей воды проверена экспериментально.

Экспериментально установлено, что перенос места подвода охлаждающей воды позволил поднять температурный уровень в нижней части втулки на площади 65%, т.е. охлаждаемой конвективно, на 10-12оС. На остальной части втулки температура практически не изменилась - изменения были в пределах точности измерений. На 5-7оС повысилась температура поршня в районе компрессионных колец. Проведенное мероприятие позволило снизить удельный расход топлива на 1,5-2,0 г/кВт.ч. на номинальном режиме и 3-6 г/кВт.ч. на частичных режимах. Полученные результаты представлены на рис.2.

А|

Подвод воды -

п \t ; t

А-А

Я У/

'' ' /И У ///////У

: Г . _1

i (Л ^ У ~ ' ж J\ у / у у у у $

я! у

li и

А-А

Подвод воды

Г

ж

—^уУ-^ j

а) б)

Рис.1. Схема охлаждения двигателей 6 и 8ЧН 25/34 : а) серийная; б) опытная

У

tiy/ ^у У у У

/ У

У

\

\

Ртах, МПа

Рк,

кПа

100 200 300 400 500 Рэ.г, кВт

Рис.2. Параметры ДГА 500-1 в зависимости

от нагрузки--------штатная система,

--- - --- опытная СО

80 60 40 20

Опытная ci ютема

Him атная сист ема

У У / /

/ / // /У //

ft /

100 200 300 400

500 N, кВт

Рис. 3. Изменение механического кпд двигателя от нагрузки и места подвода охлаждающей воды.

Улучшение топливной экономичности при верхнем подводе воды достигнуто, прежде всего, за счет снижения тепловых потерь в систему охлаждения и повышения механического коэффициента полезного действия (КПД). Для проверки достоверности данного факта (повышения механического КПД) выполнено определение меха-

нического КПД при работе двигателя в штатной и опытной комплектациях. Полученные результаты представлены на рис.3.

С целью улучшения технологичности поршня опробован вариант охлаждения путем распыливания охлаждающего масла специальной форсункой-распылителем, установленной на верхней головке шатуна -рис.4.

Рис. 4. Эскиз установки распылителя масла на верхней головке шатуна

Как показала экспериментальная проверка, тепловое состояние поршня при данном охлаждении поршня мало отличалось от имеющегося при серийном способе, когда охлаждающее масло подавалось в полость охлаждения через поршневой палец. Изменение площади поверхности охлаждения в результате качания шатуна вызвало незначительный перекос температурного поля по отношению к оси поршня.

Конструктивные изменения в крышку рабочего цилиндра кроме увеличения толщины огневого днища не вносились. Необходимо отметить, что перенос места подвода охлаждающей воды в верхнюю часть блока и конвективное охлаждение втулки в нижней части не в полной мере обеспечило требуемый результат - имеются резервы для дальнейшего снижения тепловых потерь. Для этого необходимо охлаждать только верхний бурт втулки и обеспечить теплоизоляцию нижней части. Реализация данного мероприятия потребует изменения конструкции блока и втулки рабочего ци-

линдра. При этом будет нарушена взаимозаменяемость деталей ранее выпущенных моделей двигателя.

С целью уменьшения тепловых потерь в систему охлаждения и дальнейшей оптимизации теплового состояния деталей ЦПГ было определено влияние на тепловое состояние деталей расхода циркуляционной воды через двигатель в целом. Для этого двигатель был дооборудован счетчиком расхода циркуляционной воды и системой регулирова ния. Испытания проводились на номинальном режиме работы двигателя при штатной системе охлаждения и представлены в табл. 1 и 2. Схемы размещения термопар представлены на рис. 5 и 6.

Как видно с результатов испытаний, температура втулки рабочего цилиндра при уменьшении расхода циркуляционной воды в два раза увеличилась лишь на 6...8оС в различных точках. Незначительно увеличилась и температура поршня. Необходимо отметить, что количество теплоты, отводимой в систему охлаждения, также уменьшилось незначительно (приблизительно на 8.10%). Одновременно увеличились потери тепла с отработавшими газами, о чем свидетельствует рост температуры выпускных газов на 10оС. Удельный расход топлива уменьшился на 1,0 г/кВт.ч.

Учитывая, что для уменьшения расхода циркуляционной воды увеличивалось сопротивление системы охлаждения, можно предположить, что затраты на привод водяного насоса были неизменными или даже выросли. Это позволит при реализации полученных результатов дополнительно снизить удельный расход топлива за счет уменьшения мощности насоса циркуляционной воды.

Полученные результаты подтверждают целесообразность комплексного подхода к вопросу снижения потерь в систему охлаждения. Уменьшение расхода циркуляционной воды целесообразно сочетать с уменьшением поверхностей охлаждения и нанесением теплоизолирующих покрытий как на тепловоспринимающие, так и теплоодающие поверхности. Целесообразно, также, проработать возможность

уменьшения теплопроводности материала элементов можно понизить теплопровод-

деталей ЦПГ за счет изменения их химсо- ность чугуна на 30-40% без изменения его

става и технологии изготовления. При при- прочностных характеристик. менении соответствующих легирующих

Сторона выхлопного клапана

Сторона выхлопного коллектора

Рис. 5. Схема размещения термопар во втулке рабочего цилиндра двигателя ЧН 25/34. Глубина заделки термопар 3,0.3,2 мм.

Рис. 6. Схема размещения термопар в

поршне двигателя ЧН 25/34. Глубина заделки термопар 3,0.3,2 мм.

Таблица 1

Результаты замера температур по втулке рабочего цилиндра. _Система охлаждения серийная_

Наименование параметров, Значение параметров

размерность

Нагрузка на дизель-генератор, % 100 100 100

Расход циркуляционной воды, кг/час 24800 20500 12860

Температура циркуляционной воды на 80 81 84

выходе с двигателя, оС

№1 262 262 263

№2 209 216 217

№3 213 213 216

№4 278 278 279

№5 - - -

№6 119 120 127

№7 113 115 120

№8 137 142 151

№9 136 136 137

№10 126 129 132

№11 96 96 101

№12 99 101 103

№13 101 104 110

№14 116 118 120

№15 105 105 113

№16 - - -

№17 102 103 112

№18 103 104 113

№19 84 85 88

№20 92 95 100

Таблица 2

Результаты замеров температур по поршню. _Система охлаждения серийная._

Наименование параметров, размерность Значение параметров

Нагрузка на дизель-генератор, % 100 100 100

Расход циркуляционной воды, кг/час 24800 20500 12860

Температура в точке измерения, оС

№1 215 215 213

№2 277 275 280

№3 285 280 280

№4 295 290 292

№5 172 172 170

№6 142 142 143

№7 290 285 281

№8 267 267 268

№9 305 308 206

№10 174 180 177

№11 143 147 143

№12 280 265 270

Анализ полученных результатов

Анализ полученных результатов показывает, что, несмотря на заметный рост температур деталей ЦПГ в результате переноса места подвода охлаждающей воды, изменения схемы охлаждения поршня их температурное состояние находится на недостаточно высоком уровне и имеются еще достаточные резервы для дальнейшего снижения тепловых потерь путем теплоизоляции нижней части втулки. Оптимизация расходы циркуляционной воды также позволяет снизить потери тепла в систему охлаждения, но главным образом приводит к перераспределению тепла между различными статьями теплового баланса двигателя. Подтверждена целесообразность комплексного подхода к вопросу снижения потерь в систему охлаждения.

На основании полученных результатов предложена оптимальная схема охлаждения втулки рабочего цилиндра двигателя ЧН25/34 которая изображена на рис. 7.

Выводы

1. Максимальное снижение тепловых потерь в систему охлаждения при обеспечении требуемого температурного уровня деталей ЦПГ обеспечивается за счет охлаждения только верхнего бурта втулки и теплоизоляции ее нижней части.

2. Охлаждение поршня при помощи распылителя установленного на верхней головке шатуна является достаточным и обеспечивает приемлемый температурный уровень его поверхностей во всем диапазоне рабочих режимов.

3. Предложена оптимальная схема охлаждения втулки рабочего цилиндра.

А Подвод воды

А-А

Рис. 7. Схема охлаждения, предлагаемая для внедрения на двигателях ЧН 25/34

Список литературы:

1. Сазонов Ю.И. Экспериментальное исследование теплообмена между газом и крышкой цилиндра двигателя Д49. - Сб. Двигатели внутреннего сгорания. Ярославль, 1981, с.46-49.

2. Г.Б. Розенблит // Особенности расчета и задания граничных русловий при моделировании температурных полей в клапане и крышке цилиндров дизеля. / Г.Б. Розенблит //Двигателестроение. - 1982. -Вып.9. с.21-24.

3. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. М.: Машиностроение, 1977. 216 с.

4. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. - М., 1975. 180 с.

5. http:// fazaa.ru/kipia/remont-termoelektricheskix-preobrazovatelej-svarka-termopar.html

6. Туричин А.М. и др.. Электрические измерения неэлектрических величин. - Л., 1975. 567 с.

7. Геращенко С.А. Температурные измерения. Стравочник/ С.А.Геращенко, АН. Гордонов, А.К. Яремина. - К., 1989. 704 с.

8. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л., 1974. 108. с.

9. Перлов М.Л. Оценка погрешности измерения температуры поршня дизеля прерывистым токосьемом/ М.Л.Перлов, А.В. Соснин, Е.И. Шельфова //Тракторы и сельхозмашины. 1977. Вып.9. - с.14-16.

Spysok Literatury:

1. Y.I. Sazonov Experimental study of heat transfer between the gas and the cylinder head of the engine D49. - Collection. Internal combustion engines. Yaroslavl, 1981, р.46-49.

2. G.B. Rosenblit // Features calculation and assignment of channel boundary in the simulation of temperature fields in the valve cover and cylinder diesel. / G.B. Rosenblit // drive engineering. - 1982. - edition 9. р.21-24.

3. Rozenblit G.B. Heat transfer in diesel engines. M .: Mechanical Engineering, 1977. 216 p.

4. Raikov I.J. Tests of internal combustion engines. - M., 1975. 180 p.

5. http://fazaa.ru/kipia/remont-termoelektricheskix-preobrazovatelej-svarka-termopar.html

6. Turichin A.M. etc .. Electrical measurement of non-electrical quantities. - L., 1975. 567 p.

7. Gerashchenko S.A. Temperature measurements. B.R. / S.A.Geraschenko, A.N. Gordon, A.K. Yaremina. - K., 1989. 704 p.

8. A. Seidel Errors of measurement of physical quantities. L., 1974. 108 p.

9. M.L. Perlov Estimation error of temperature measurement piston diesel intermittent tokosemom / M.L.Perlov, A.V.

Sosnin, E.I. Shelf // tractors and agricultural machinery. 1977. edition 9. - S.14-16.

Аннотации:

В статье рассматриваются результаты экспериментальных исследований теплового состояния деталей цилиндро-поршневой группы двигателей типа ЧН25/34 и пути его совершенствования. Рассмотрены различные схемы охлаждения поршня и гильзы рабочего цилиндра. Показана целесообразность комплексного подхода к вопросу снижения тепловых потерь в систему охлаждения. Предложена оптимальная схема охлаждения втулки рабочего цилиндра предусматривающая охлаждение только верхнего бурта втулки и теплоизоляцию ее нижней части.

Ключевые слова: система охлаждения, тепловые потери, теплоизоляция, термопара, гильза рабочего цилиндра, механический КПД, топливная экономичность.

У статп розглядаються результати експериментальних дослвджень теплового стану деталей цилiндро-поршневоl групи двигушв типу ЧН25/34 та шляхiв його вдосконалення. Розглянуто рiзнi схеми охолодження поршня i пльзи робочого цилiндра. Показана дощльшсть комплексного шдходу до питання зниження теплових втрат в систему охолодження. Запропонована оптимальна схема охолодження втулки робочого цилiндра передбачае охолодження тшьки верхнього бурту втулки i теплоiзоляцiю И нижнш частиш.

Ключовi слова: система охолодження, тепловi втрати, теплоiзоляцiя, термопара, пльза робочого цилiндра, мехашчний ККД, паливна економiчнiсть.

The article discusses the results of experimental studies of the thermal state of the parts of the cylinder-piston engines type engines ^H25/34 and ways of its improvement. Various schemes of cooling of the piston and sleeve of the working cylinder. Studies have shown the feasibility of a comprehensive approach to reducing heat loss in the cooling system. The proposed optimal scheme of the cooling sleeve of the working cylinder providing cooling only the upper clamp the sleeve and the insulation of the bottom.

Keywords: cooling system, heat loss, insulation, thermocouple, sleeve of the working cylinder, mechanical efficiency, fuel efficiency.