CC BY
33
УДК 621.113
ВЛИЯНИЕ НАГАРА НА ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОЛОВКИ И ЗЕРКАЛА ЦИЛИНДРОВ
А. И. Проскурин, Р. Н. Москвин, А. А. Карташов, К. А. Куимова
INFLUENCE OF THE DEPOSIT ON THERMAL CHARACTERISTICS OF CYLINDERS HEAD AND MIRROR
A. I. Proskurin, R. N. Moskvin, A. A. Kartashov, K. A. Kuimova
Аннотация. Анализируются влияния нагара на тепловое состояние деталей цилиндропоршневой группы, на работоспособность и надежность двигателей, а также на эффективные и экономические показатели. Отмечается снижение теплой напряженности деталей ЦПГ вследствие удаления нагара.
Ключевые слова: цилиндропоршневая группа, углеродистые отложения, экономичность, надежность, теплоотвод.
Abstract. Analyzes the impact of soot on the thermal state of the parts of the cylinder-piston group on the performance and reliability of engines, as well as an effective and economic indicators. A decline in the warm parts CPG tension due to the removal of soot.
Key words: cylinder-piston group, carbon deposits, economy, reliability, heat sink.
Эффективность работы дизельных двигателей, их эксплуатационная надежность в значительной степени зависят от работоспособности деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). В условиях эксплуатации значительное число отказов приходится на их долю.
В условиях эксплуатации во всех двигателях внутреннего сгорания независимо от их класса и типа образуются различного рода углеродистые отложения, которые являются одной из главных причин снижения их эколо-гичности и надежности [1, 2].
Отложения нарушают процесс сгорания, увеличивают износ трущихся деталей и могут вывести из строя как отдельные детали, так и целые узлы двигателя. Периодическая переборка двигателя, связанная с выводом его на длительный срок из эксплуатации, вызывает дополнительные расходы на демонтаж, транспортировку, переборку и испытания. После переборки двигатель вновь проходит приработку. Все это в комплексе снижает его экономичность и срок службы [1].
Температурный уровень огневой поверхности головки цилиндров, покрытой слоем нагара, может быть оценен по некоторой средней температуре огневой поверхности [3, 4]. Ввиду сложности формы головки цилиндров, передающей теплоту от газов к охлаждающей среде, точное определение температуры головки в любой точке не может быть дано с достаточной точностью. Это усугубляется еще и тем, что интенсивность теплоотдачи газов по поверхности головки неодинакова и не определяется расчетным путем. Однако оценить общее тепловое состояние головки можно, если заменить реальную теплопроводящую стенку некоторой эквивалентной стенкой, тепловой поток которой равен действительному. Для головки цилиндров такой
простейшей стенкой является плоская стенка. Условия теплообмена головки со стороны рабочих газов те же, что и для поршня, т.е. теплопередача в головку определяется средним коэффициентом теплоотдачи газов агср, —,
и эквивалентной температурой Тэкв, °К. Со стороны системы охлаждения действует некоторая средняя температура Твозд, °К, и средний коэффициент теп-Вт
лоотдачи авозд., —2-.
м2 °К
Для плоской стенки тепловой поток определяется потоком по формуле, [Вт]:
а =
Т - Т
экв возд
1,1 Иг 1
—(-+ — +-
^г агср 1 авозд
(1)
)
т^ 2
где гг - действительная тепловоспринимающая поверхность головки, м ; Иг - условная толщина стенки головки, м.
Так как величина Иг неизвестна, то полное тепловое сопротивление стенки определялось по формуле (1), с учетом того, что тепловой поток известен. Из литературных данных известно, что тепловой поток у дизельных быстроходных двигателей с воздушным охлаждением находится в пределах 15...20 % от всего введенного в цилиндр тепла. Причем доля теплоты, отводимой головкой, равна 40 %, а гильзой - 60 %.
Из формулы (1) полное тепловое сопротивление головки цилиндров без
нагара равно,
Вт
Яг =
Т - Т
экв возд
а
(2)
Тепловое сопротивление головки, покрытой слоем нагара, возрастает
Г °К
на величину теплового сопротивления слоя нагара, —
Вт
Fг '
(3)
где Яг - тепловое сопротивление головки цилиндров, покрытой слоем нага-
°К
ра, в дискретный период времени,
Вт
; Ин - толщина слоя нагара в дис-
кретный период времени, м; Ан - коэффициент теплопроводности нагара, Вт
м2°К '
Полное тепловое сопротивление головки, покрытой слоем нагара, находится по формуле
Я2г - Яг + .
(4)
И
Средняя температура огневой поверхности головки определяется по формуле, [°К]
^ = ^ _ п
®г ®экв ^¿г
1 ин
V Кг «г Кг^н у
(5)
где ¿г и ^ - средние температуры головки цилиндров без отложения нагара и с отложением нагара соответственно, [°К].
В результате произведенных расчетов выявлено, что полное тепловое сопротивление головки цилиндров при удалении нагара понижается на 73 %, количество теплового потока, проходящего через нее, увеличивается на 12 %, а температура головки увеличивается на 13 %. Характер изменения температуры головки цилиндров в процессе удаления нагара приведен на рис. 1.
Рис. 1. Изменение температуры головки цилиндров в процессе удаления нагара с огневой поверхности
В процессе работы гильза цилиндра, как и головка, получает теплоту непосредственно от газов, находящихся в надпоршневой полости цилиндра, а также от поршня через поршневые кольца и юбку. Вследствие значительной тепловой инерционности гильзы цилиндра тепловые потоки, проходящие через нее, следует определять как средние за цикл и выражать их в удельных величинах [3, 4]. Непостоянство тепловоспринимающей поверхности гильзы цилиндра затрудняет определение удельной тепловой нагрузки, воспринимаемой гильзой цилиндра непосредственно от газов. Вследствие этого удельная тепловая нагрузка стенок гильзы цилиндра дизеля определяется количеством теплоты, передаваемой 1 м2 стенок, обдуваемых охлаждающим воздухом в течение 1 часа.
В процессе удаления нагароотложений количество теплоты, передаваемое деталям цилиндра, определяется по формуле
а = ^ • ^ • & -Х0, (6)
где ge - удельный расход топлива, г/кВт-ч; Ыец - эффективная мощность
одного цилиндра, кВт; ан - теплота сгорания топлива, кДж ; Х0 - коэффи-
кг
циент, характеризующий долю теплоты, передаваемой деталям цилиндра (Хо = 0,15.. .0,20).
Количество теплоты, передаваемое стенкам цилиндра в процессе удаления нагара (в дискретные периоды времени), определяется по формуле
ац=а - (ап+ах). (7)
Количество теплоты, принимаемое поршнем от газов в процессе удаления нагара (при определенной толщине слоя нагара), определяется по формуле
т»Х _
ГЛХ _ Т экв Т возд /дч
ап —¿г • (8)
где ГэХкв - эквивалентная температура газов в цилиндре в дискретный период времени, °К; Твозд - температура воздуха в межреберном пространстве цилиндра (Гвозд = 338 °К); Я^ - общее тепловое сопротивление с нагароотложе-
°К
ниями на днище поршня и головке цилиндров, — .
Вт
Общее тепловое сопротивление с нагароотложениями Я; определяется по формуле
Я; = ЯдТ + Яст + Яц + Я^г. (9)
Значение средней удельной тепловой нагрузки гильзы цилиндра (при определенной толщине слоя нагара на днище поршня) определяется по формуле
ат
а-, (10)
пр
т—1 2
где Рпр - приведенная поверхность стенок гильзы цилиндра, м , через которую передается количество теплоты аЩ.
Приведенная поверхность теплоотдачи (внешняя поверхность неореб-ренного цилиндра, подсчитанная по диаметру основных ребер) определяется по формуле
РПр =я(В + 2А)ЛЦ , (11)
где В - диаметр цилиндра, м; А - средняя толщина стенки (А = 0,008 м); кц - высота обдуваемой оребренной части цилиндра (Нц = 1,3• S = 0,156 м, где S - ход поршня).
В результате расчетов средней удельной тепловой нагрузки гильзы цилиндра выявлено, что при полном удалении нагара она понижается на 10 %. Закономерность изменения значений тепловой нагрузки в зависимости от времени удаления нагара представлена на рис. 2.
_I,
0 200
180
160
140
120
Рис. 2. Изменение температуры зеркала гильзы цилиндра и средней удельной тепловой нагрузки гильзы цилиндра в процессе удаления нагара с днища поршня и головки цилиндров дизеля 4Ч 10,5/12 (1-6 - точки измерения температуры гильзы)
Вследствие образования нагара происходит повышение температуры гильзы цилиндров, это является причиной увеличения теплового зазора между поршнем и гильзой, что оказывает неблагоприятное воздействие на теплообмен. Увеличение теплового зазора ведет к ударам при перекладке поршня, что дополнительно повышает механические нагрузки на детали ЦПГ и износ поверхностей трения. Температурные перепады в теле гильзы искажают геометрическую форму зеркальной поверхности, что способствует повышению износа гильзы и сопряженных с ней поверхностей. Следовательно, необходимо стремиться не только к снижению температурного уровня, но и температурных перепадов.
Таким образом, нагарообразование на деталях ЦПГ дизельных двигателей оказывает отрицательное влияние на тепловую напряженность и, как следствие, на долговечность работы двигателя, а также на его эффективные и экономические показатели, что говорит о необходимости разработок действительных мер борьбы с ним.
Список литературы
1. Папок, К. К. Нагары в реактивных двигателях / К. К. Папок, В. А. Пискунов, П. Г. Юреня. - М. : Транспорт, 1981.
2. Поспелов, Д. Р. Двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением / Д. Р. Поспелов. - М. : Машиздат, 1981.
Время удаления нагара, мин
3. Костин, А. К. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания / А. К. Костин, В. В. Ларионов. - Л. : Машиностроение, 1989.
4. Ленин, И. М. Исследование теплоотдачи в стенки в двигателях внутреннего сгорания / И. М. Ленин, А. В. Костров // Автомобильная промышленность. - 1983. -№ 6.
Проскурин Анатолий Иванович кандидат технических наук, профессор, кафедра эксплуатации автомобильного транспорта,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: auto@pguas. ru
Москвин Роман Николаевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра эксплуатации автомобильного транспорта,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: [email protected]
Карташов Александр Александрович
кандидат технических наук, доцент, кафедра эксплуатации автомобильного транспорта,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: [email protected]
Куимова Ксения Андреевна
студентка,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: [email protected]
Proskurin Anatoly Ivanovich
candidate of technical sciences, professor,
sub-department of operation
of road transport,
Penza State University
of Architecture and Construction
Moskvin Roman Nikolaevich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of operation of road transport, Penza State University of Architecture and Construction
Kartashow Alexander Alexandrovich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of operation of road transport, Penza State University of Architecture and Construction
Kuimova Ksenia Andreyevna student,
Penza State University of Architecture and Construction
УДК 621.113 Проскурин, А. И.
Влияние нагара на тепловые характеристики головки и зеркала цилиндров /
А. И. Проскурин, Р. Н. Москвин, А. А. Карташов, К. А. Куимова // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2014. - № 2 (10). - С. 189-194.
