Меню

Что отводит тепло от поршня

Специфические особенности передачи тепла в ДВС

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ ТЕПЛООБМЕНА В ДВС

Передача тепла может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность – процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различные температуры, и обусловлена движением микрочастиц тела.

Конвекция – процесс переноса тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция возможна только в подвижной среде и всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа с твердой стенкой называют конвективной теплоотдачей.

Тепловое излучение – процесс распространения тепловой энергии при посредстве электромагнитных волн. При излучении происходит двойное превращение энергии: тепловая энергия тела переходит в лучистую и обратно – лучистая энергия переходит в тепловую, поглощаясь стенками и излучателем.

Рассмотрим основные особенности передачи тепла в поршневых двигателях внутреннего сгорания.

1. В ДВС имеет место сложный случай теплообмена, характеризующийся наличием всех трех элементарных процессов распространения тепла. Для подтверждения рассмотрим схему передачи тепла от рабочего тела, находящегося в цилиндре ДВС, к охлаждающей жидкости и внешней среде (см. рис. 1).

Предполагаем, что цилиндр заполнен рабочим телом (газ) и идет процесс сгорания. Теплота от рабочего тела 1 при помощи конвекции и лучеиспускания передается масляному слою 2. Далее, теплопроводностью проходит этот слой, стенку гильзы цилиндра 3 и слой накипи 4. Далее с помощью конвективной теплоотдачи передается охлаждающему агенту 5, при помощи которого основная часть тепла выносится из рубашки охлаждения. Оставшаяся часть конвекцией передается стенке блока цилиндров 6 и при помощи конвекции и теплового излучения отдается в окружающую среду 7.

Рис. 1. Общая идеализированная схема передачи тепла от рабочего тела
в цилиндре к охлаждающей жидкости и внешней среде: 1 – камера сгорания;
2 – слой масла или нагара; 3 – гильза цилиндра; 4 – слой накипи;
5 – охлаждающая жидкость; 6 – стенка блока цилиндров; 7 – окружающая среда

Передача тепла через другие элементы КС двигателя отличается от описанной лишь частностями.

2. Каждый из элементарных процессов распространения тепла в ДВС представляет, в свою очередь, сложный процесс. В момент вспышки в цилиндре дизеля имеется сажистое пламя, излучение которого перекрывает излучение многоатомных газов. Конвективная теплоотдача также сложна: в течение одного цикла массы рабочего тела не имеют постоянного направления движения и подвергаются сжатию-расширению в замкнутом объеме. Движение поршня и рабочего тела создают предпосылки для возникновения внутри цилиндра крупномасштабных турбулентных пульсаций (вихрей), по отношению к которым различно ориентированы стенки тепловоспринимающих поверхностей КС, что делает резко отличными характеры обтекания каждой из них. Сами стенки имеют различную чистоту обработки и разные теплопоглощающие характеристики, что также влияет на процессы теплопередачи. Теплопроводность через сложные детали (поршни, головки цилиндров) имеет немало особенностей, что обусловлено не только их формой, но и материалами из которых они выполняются. Конфигурация камер сгорания существенно сказывается как на конвективном теплообмене, так и на способности к поглощению лучистой энергии.

3. Процессы теплоотдачи от рабочего тела к стенкам камеры сгорания изменяются во времени в пределах рабочего цикла. В первую очередь это связано с переменностью температуры рабочего тела, которая может изменяться от порядка 300 K в период впуска до 1800…2200 K в момент сгорания в дизелях и до 2600…3000 K в двигателях внешнего смесеобразования, т.е. изменяется на порядок за сотые доли секунды, что существенно для конвективного теплообмена. Изменение давления и температуры в цикле влияют на интенсивность конвективной теплоотдачи также и за счет изменения теплофизических характеристик компонентов рабочего тела. Излучение факела и газовой среды переменно в течение цикла, что связано с периодичностью процесса сгорания и постоянным изменением параметров рабочего тела в цилиндре двигателя (изменяется концентрация сажи, а вместе с ней – степень черноты и температура пламени). Кроме того, переменность теплового излучения вызывается тем, что излучательная способность газов определяется эффективной длиной луча (или толщиной газового слоя), а последняя в течение цикла в результате перемещения поршня изменяется. Таким образом, процессы передачи тепла в цилиндре переходят в область нестационарную, несравнимо более сложную как в теоретическом, так и экспериментальном планах.

Читайте также:  Диаметр поршня уаз 417 двигатель

4. В цилиндре ДВС всегда имеет место неорганизованное (и организованное) вихревое движение рабочего тела (мелко- и крупномасштабная турбулентность), особенно интенсивное в двухтактных двигателях, предкамерных, вихрекамерных и некоторых других. Оно оказывает существенное влияние на протекание процессов конвективной теплоотдачи в цилиндре.

5. Отличительной особенностью процесса конвективной теплоотдачи в цилиндре двигателя внешнего смесеобразования следует считать наличие в процессе сгорания фронта пламени, распространяющегося по смеси с конечной скоростью (порядка 20…40 м/с) от свечи зажигания к стенкам КС. Это заставляет делить зону КС как минимум на две – зону сгоревшего и несгоревшего топлива, термодинамические параметры газа в которых будут отличны друг от друга. Существенную роль в увеличении тепловой нагрузки на стенки КС играют аномальные виды сгорания – детонация и калильное зажигание.

6. Спецификой теплопередачи через гильзу цилиндра следует считать периодичность перекрытия поверхности гильзы поршнем, что обусловливает значительную локальность теплоотвода через различные зоны гильзы. Это связано не только с прямой теплоотдачей от рабочего тела к гильзе, но и опосредованной теплоотдачей через кольцевое уплотнение, а также с теплообменом между газом и стенками в заколечных объемах.

7. Работа трения поршневых колец и тронка переходит в тепло, которое суммируется с основным тепловым потоком, идущим от газов через стенки гильзы к охлаждающей жидкости, и является естественной преградой тепловому потоку, идущему от огневой поверхности днища поршня через кольца и втулку к охлаждающей среде. Это дополнительное тепло, составляющее 5…15 % тепла, введенного в двигатель с топливом, не может быть учтено ни одним из упоминавшихся видов передачи тепла.

8. Значительная часть тепла, отводимая через систему охлаждения головки цилиндров, передается ей через систему газовоздушных каналов (ГВК) и путем контактного теплообмена через фаски седел клапанов. Эти процессы также весьма сложны и обладают своей спецификой, а механизмы теплопередачи отличаются на разных стадиях протекания рабочего процесса.

9. Чрезвычайное разнообразие форм поперечных и продольных сечений водяных коммуникаций (форм рубашек воздушного охлаждения), переменность скоростей охлаждающей жидкости (воздуха в межреберном пространстве) вызывают локальность теплосъема со стороны охлаждающего агента.

При рассмотрении различных специфических особенностей, процессы теплопередачи в ДВС кажутся очень сложными и не подвергающимися теоретическому и экспериментальному анализу. Однако если рационально отобрать важнейшие факторы, принять допустимые упрощения, то можно получить достаточно правильную и имеющую практическую значимость оценку явлений теплопередачи в двигателе.

Что следует иметь в виду в первую очередь?

1. Локальные температуры поверхностей КС и ГВК остаются практически неизменными во времени на установившихся режимах работы двигателя. Амплитуда колебаний в несколько градусов при средних температурах стенок 400…800 K мало влияет на общий ход процессов теплообмена.

2. В связи с высокой теплопроводностью стенок, ограничивающих рабочие полости, температурные волны затухают очень быстро по мере углубления в стенку: на удалении 1…2 мм от поверхности пульсациями температур можно практически пренебречь, что сразу резко упрощает картину теплопередачи (т.е. можно считать что = const во времени).

Читайте также:  Обратный клапан с поршнем

3. Отдельные поверхности КС и ГВК омываются весьма организованно, что делает реальной задачу теоретического исследования теплопередачи через эти поверхности.

4. Упрощает задачу стабильность температуры охлаждающего агента, перепада температуры вдоль по потоку и картины распределения поля скоростей охлаждающей жидкости в зарубашечном контуре на установившемся режиме работы двигателя.

5. Огромное упрощение в исследованиях процессов теплопередачи и увеличение точности достигается использованием принципов теории подобия гидродинамических и тепловых явлений.

Источник статьи: http://studopedia.ru/3_193802_spetsificheskie-osobennosti-peredachi-tepla-v-dvs.html

Охлаждение поршней форсированного двигателя

Форсирование двигателя наддувом сопровождается ростом температуры днища поршня, его термонапряжённости. В результате существенно понижается его прочность, ухудшаются условия смазки, а у двигателей с внешним смесеобразованием повышается опасность детонационного сгорания. Вообще, для улучшения процесса сгорания температуру днища поршня целесообразно повышать, конечно, до определённого уровня, при этом обеспечивается также сжигание отложений продуктов неполного сгорания топлива и масла, однако происходит снижение коэффициента наполнения.

Для снижения термонапряжённости применяют следующие методы:

  1. отвод тепла от днища поршня в стенки цилиндра через поршневые кольца и юбку;
  2. отвод тепла жидкостью, подводимой к днищу поршня;
  3. применение накладок на днище из жароупорных чугуна или стали с низким коэффициентом теплопроводности.
  4. иногда применяют комбинацию из указанных методов.

У ДВС с наддувом первый способ обычно применяется для алюминиевых поршней увеличением сечений их корпуса. При втором способе применяют обычно масло, реже — воду. Известно, что крупные судовые двухтактные дизели принципиально всегда имеют систему охлаждения поршней. Но лёгкие быстроходные двигатели такой системой, как правило, не оснащаются. Однако с ростом напряжённости двигателя в связи с турбонаддувом появилась необходимость такого охлаждения. Рассмотрим несколько принципиальных схем выполнения таких систем. На рисунке показаны три таких схемы. Они могут быть классифицированы следующим образом. Л — охлаждение разбрызгиванием, Б — охлаждение с помощью масляной форсунки и В — масляное охлаждение путём циркуляции масла или путём взбалтывания масла в полостях поршня.

Рис. Принципиальные схемы охлаждения поршней

Система А известна давно и применялась ещё тогда, когда отсутствовала принудительная смазка с помощью подкачивающего масляного насоса. В этом случае на шатуне размещено приспособление в виде ложки так, что при вращении шатуна ложка черпает масло из картера и разбрызгивает его по зеркалу цилиндра и по днищу поршня. Эта система применяется в высокооборотных ДВС с малым диаметром цилиндров, но её возможности эффективно охлаждать поршни высокофорсированных двигателей ограничены.

В быстроходных двигателях с наддувом и сравнительно малым диаметром цилиндра широко применяется система Б, в которой специальная масляная форсунка, неподвижно установленная под цилиндром или в верхней головке шатуна и связанная с каналом подачи масла, непрерывно, а иногда прерывисто, подаёт струю или факел масла вверх — на днище поршня вблизи поршневой головки шатуна, охлаждая поршень. Чтобы не нанести вред основной системе смазки и охлаждения подшипников, которая, естественно, более важна, чем охлаждение головки поршня, эта система охлаждения связана со специальным каналом подвода масла, давление в котором повышается лишь после того, как уровень давления в основной системе превысит необходимое давление для смазки подшипников после начала работы двигателя. Эффективность работы такой системы охлаждения поршня существенно зависит от точности направлении факела масла, от охвата факелом масла всей поверхности днища, что следует контролировать при монтаже, диагностике двигателя и т.д. Но эффективность метода всё же мала, так как масло находится в контакте с днищем поршня лишь сравнительно короткое время. Наличие рёбер на днище поршня увеличивает эффективность теплоотвода.

Читайте также:  Сколько поршней ваз 2108

На схеме В показано, что масло под давлением подводится к каждому коренному подшипнику коленчатого вала (по сверлениям в шейках), поступает к шатунным шейкам, затем по сверлениям в теле шатуна — к поршневой головке шатуна, в подшипник и затем через специальные устройства (ползуны) подаётся в полости охлаждения головки поршня.

При этом может обеспечиваться либо непрерывная циркуляция охлаждающего масла в полостях поршня, либо производится охлаждение путём взбалтывания масла в полостях поршня. Когда силы инерции направлены вверх, слой масла, прилегая к днищу, отбирает от него тепло. При обратном направлении сил инерции часть масла вытекает через специальные каналы, а часть вытесняется в карманы в полости охлаждения. Применение этого способа позволяет снизить температуру поршня почти на 70 градусов по сравнению с температурой при проточном охлаждении.

Рис. Схема размещения масляной форсунки охлаждения поршня

На рисунке показано размещение масляной форсунки А в нижней части цилиндра и её связь с масляным каналом в блоке двигателя. На юбке поршня видна специальная выемка, куда входит масляная форсунка, когда поршень опускается к нижней мёртвой точке. Наличие выемки позволяет приблизить днище поршня к форсунке в положении вблизи НМТ. Нагретое масло после отвода тепла от днища поршня сбрасывается в картер двигателя. При этом, конечно, повышаются общий уровень температуры масла, а следовательно требуется повышенное охлаждение его в масляном холодильное. Охлаждение взбалтыванием широко применяется в двигателях с противоположно движущимися поршнями и двигателях с клапанно-щелевой системой газообмена.

Желательно, чтобы поршень имел достаточно большую длину, тогда скорость масла при ударе о днище может быть достаточно высокой, что улучшает охлаждение.

На рисунке показан шатун с каналами для прохода масла под давлением, показаны зоны 1 шатунного подшипника, наименее нагруженные при работе двигателя, и в них — канавки для прохода масла. В конечном итоге масло почти постоянно подаётся из поршневой головки шатуна в полости головки поршня. Такая подача может происходить двумя путями, которые показаны на рисунке.

Рис. Схема шатуна с каналами для прохода масла под давлением

Рис. Схема поршней с внутренним охлаждением

Схема А применяется для среднеразмерных двигателей, а схема Б — для высокооборотных. Согласно схеме А, масло проходит из сверления в теле шатуна в головку для смазки поршневого подшипника и также по канавке вокруг подшипника — в канал В в специальном «башмаке», стакане, постоянно связанном с поршнем и способном скользить по головке шатуна при его качании. Далее масло поступает в полости охлаждения головки поршня, выполненные в виде спирального канала и образованного специальными приливами на днище поршня.

Рис. Схема распределения температур в поршне

На схеме видна существенная неравномерность температур.

Видно, что в зоне отвода тепла от поршня через поршневые кольца в стенки цилиндра температуры достигают 200 — 220 °С, а в зоне факела горящей смеси, вытекающей из камеры сгорания, — до 400 °С. При этом температуры головки цилиндра вблизи места посадки тарелки выпускного клапана могут достигать 650 — 700 °С. Как в двигателе с естественным всасыванием, так и в двигателе с наддувом температуры на днище поршня не должны превышать 400°С, причём температуры внутренней части днища поршня, охлаждаемой маслом, не должны превышать 200 °С. Последнее связано с тем, что при чрезмерно высоких температурах охлаждаемой поверхности внутренней части днища поршня масло быстро стареет, теряет свои качества и т.д.

Источник статьи: http://ustroistvo-avtomobilya.ru/dvigatel/ohlazhdenie-porshnej-forsirovannogo-dvigatelya/

Adblock
detector