150575 (Поліпшення теплонапруженого стану головок циліндрів форсованих дизелів шляхом локального охолодження)

24

Національний технічний університет

"Харківський політехнічний інститут"

Авраменко Андрій Миколайович

УДК 621.43.062(04)

ПОЛІПШЕННЯ ТЕПЛОНАПРУЖЕНОГО СТАНУ ГОЛОВОК

ЦИЛІНДРІВ ФОРСОВАНИХ ДИЗЕЛІВ ШЛЯХОМ ЛОКАЛЬНОГО ОХОЛОДЖЕННЯ

Спеціальність 05.05.03 – двигуни та енергетичні установки

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі "Двигуни внутрішнього згоряння" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут", м. Харків.

Науковий керівник: кандидат технічних наук Триньов Олександр Володимирович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, доцент кафедри двигунів внутрішнього згоряння.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Олійник Олексій Васильович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського "Харківський авіаційний інститут", м. Харків, професор кафедри конструкцій авіаційних двигунів;

кандидат технічних наук Грицюк Олександр Васильович, казенне підприємство "Харківське конструкторське бюро з двигунобудування", м. Харків, заступник генерального конструктора з НДР – головний конструктор.

Захист відбудеться 22 травня 2008 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.13 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за адресою: м. Харків, вул. Фрунзе, 21, кафедра "Двигуни внутрішнього згоряння", ауд. 11.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий 21 квітня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.О.Пильов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення вимог до конструкцій сучасних ДВЗ пов’язано, насамперед, зі збільшенням рівня форсування, поліпшенням економічних та екологічних показників ДВЗ.

При цьому удосконалення існуючих та розробка перспективних конструкцій ДВЗ не можлива без використання CAD/CAE/CAM-технологій, які дозволяють у стислі терміни розробити працездатну конструкцію деталі, вузла і двигуна в цілому. Цим забезпечується потрібний рівень якості та конкурентоспроможність розробки.

Розвиток новітнього двигунобудування вимагає проведення комплексних досліджень теплонапруженого стану (ТНС) найбільш навантажених деталей камери згоряння. В першу чергу до таких деталей можна віднести головку циліндрів, її окремі зони, а також деталі випускного клапанного вузла.

Проведення ідентифікації розрахункових моделей, що дозволить зробити достовірні висновки про якісні і кількісні зміни складових теплонапруженого та деформованого стану головки циліндрів, які спостерігаються при зростанні рівня форсування у сучасних ДВЗ.

Перспективний рівень форсування автотракторних дизелів по середньому ефективному тиску Р_е досягає та перевищує 1,8 - 2,1 МПа, а для тепловозних - Р_е = 2,1 - 2,3 МПа. Такий високий рівень форсування, у порівнянні з минулими роками (для автотракторних Р_е = 1,1 МПа, тепловозних Р_е = 1,2 МПа) неминуче погіршує умови роботи деталей камери згоряння внаслідок суттєвого збільшення величини складових теплонапруженого та деформованого стану головки циліндрів.

Дослідженням теплообмінних процесів в головці циліндрів та клапанному вузлі займались такі відомі вчені, як проф. Г.Б. Розенбліт, проф. М.Д. Чайнов, проф. М.Х. Дяченко, проф. О.К. Костін, проф. А.Ф. Шеховцов, проф. Є.І. Третяк та інш. В роботах цих авторів увага приділялася аналізу теплового стану деталей клапанного вузла та головки циліндрів. При цьому невизначеними залишалися умови протікання теплообмінних процесів в парі стрижень клапана - направляюча втулка, в зоні міжклапанної перетинки головки циліндрів та вплив на ці процеси такого засобу поліпшення теплонапруженого стану, як локальне охолодження.

Оскільки інформація про вирішення кола окреслених питань саме таким шляхом у літературних джерелах практично відсутня, то тему та відповідні дослідження, які складають зміст дисертації, слід вважати актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана на кафедрі ДВЗ НТУ “ХПІ” у рамках бюджетної теми МОН України “Розробка узагальненої теорії та методів підвищення тривалої міцності та ресурсної безвідмовності перспективних транспортних двигунів внутрішнього згоряння вітчизняного виробництва” 2006 - 2008 рр. (ДР № 0106U005156), здобувач був виконавцем розділів IV, VIII, XI.

Мета і завдання дослідження. Мета дисертації полягає у розробці на основі розрахунково-експериментальних досліджень рекомендацій, направлених на зниження максимальних температур, напружень та деформацій головок циліндрів форсованих дизелів шляхом локального охолодження.

Для досягнення цієї мети вирішувалися наступні завдання:

• уточнення моделей теплонапруженого та деформованого стану головок циліндрів автотракторного та тепловозного ДВЗ для випадку використання локального охолодження зони перетинки між отворами під сідла клапанів;

• розробка вузлової моделі клапанного вузла з урахуванням взаємодії складових елементів;

• проведення моторного експерименту з дослідження умов роботи пари стрижень клапана - направляюча втулка при застосуванні локального повітряного охолодження;

• фізичне моделювання локального повітряного охолодження перетинки між отворами під сідла клапанів на оригінальному безмоторному стенді;

• розрахунково-експериментальне дослідження теплонапруженого стану (ТНС) головок тракторного та тепловозного дизелів штатного та модернізованого виконання;

• розробка рекомендацій з поліпшення ТНС клапанного вузла та головки циліндрів форсованих ДВЗ.

Об’єкт дослідження - тепловий та напружено-деформований стан головок циліндрів ДВЗ, а також тепловий та деформований стан клапанного вузла.

Предмет дослідження - визначення впливу локального повітряного охолодження на зниження максимальних температур, напружень та деформацій найбільш теплонапружених елементів головок циліндрів.

Методи дослідження: експериментальні методи застосовані для дослідження теплового стану головки циліндрів та деталей клапанного вузла, визначення зазору в парі стрижень клапан - направляюча втулка. Основні методи проведеного експериментального дослідження - термометрія та осцилографування з використанням індуктивних датчиків зміни зазору у парі стрижень клапана - направляюча втулка. Розрахункові методи використовувались для уточнення значень граничних умов (ГУ) задачі теплопровідності на ділянках теплообмінної поверхні досліджуваних деталей шляхом розв’язання оберненої задачі теплопровідності, визначення теплонапруженого стану деталей за допомогою методу скінчених елементів (МСЕ).

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Уточнено комплекс моделей теплонапруженого та деформованого стану головок циліндрів автотракторного та тепловозного дизелів, для випадку використання локального охолодження зони перетинки між отворами під сідла клапанів.

2. Вперше створено вузлову модель клапанного вузла з урахуванням взаємодії складових елементів.

3. Вперше отримано результати експериментально-розрахункової оцінки впливу локального повітряного охолодження на теплонапружений та деформований стан головки циліндрів та клапанного вузла форсованого дизеля.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Для дослідження умов роботи пари стрижень клапана - направляюча втулка запропонована методика, яка надає можливість конструктору обирати раціональні значення зазору у парі стрижень клапана - направляюча втулка, знизити витрати мастила на вигоряння в клапанному механізмі та прогнозувати умови роботи цієї пари при збільшенні термомеханічного навантаження, характерного для сучасних форсованих дизелів.

2. Проведено комплексну оцінку ефективності і доцільності використання локального повітряного охолодження для поліпшення ТНС головки циліндру та клапанного вузла форсованих дизелів з урахуванням енергетичних витрат.

3. Сформульовані рекомендації з поліпшення ТНС клапанного вузла та головки циліндрів форсованих дизелів.

4. Зазначені результати передані для впровадження і використання ДП “Завод імені Малишева”, науково-дослідній лабораторії кафедри ДВЗ НТУ “ХПІ”, а також використовуються у навчальному процесі при підготовці студентів спеціальності 7.090210 - двигуни внутрішнього згоряння в НТУ “ХПІ”.

Особистий внесок здобувача

Особистий внесок здобувача складає:

• уточнення комплексу моделей теплонапруженого та деформованого стану головки циліндрів автотракторного дизеля 4ЧН 12/14 (СМД-23) та головки циліндру тепловозного дизеля 16ЧН 26/27 (Д80) для випадку використання локального охолодження зони перетинки між отворами під сідла клапанів;

• розробка вузлової моделі клапанного вузла з урахуванням взаємодії складових елементів;

• проведене експериментальне дослідження теплового стану пари стрижень клапана - направляюча втулка в умовах локального охолодження та визначення характеру зміни зазору в цій парі в залежності від режиму навантаження;

• експериментальне дослідження впливу матеріалу направляючої втулки (бронзового сплаву БрАЖ9-4) на тепловий стан пари стрижень клапана - направляюча втулка;

• експериментальне дослідження зміни тиску відпрацьованих газів в зазорі стрижень клапана - направляюча втулка залежно від режиму роботи дизеля;

• проведене розрахунково-експериментальне дослідження впливу локального повітряного охолодження деталей клапанного вузла та головки;

Апробація результатів дисертації

Результати дисертаційного дослідження доповідалися на XIII та ХV: Міжнародних науково-технічних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я (Харків, 2005 р., 2007 р.). Щорічно тези окремих положень дисертації було представлено на Міжнародному конгресі двигунобудівників (Крим – Рибаче - Україна, 2004 - 2007 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 робіт, з них 12 статей у фахових виданнях ВАК України та 4 патенти України.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, 2 додатків. Повний обсяг дисертації складає 239 сторінки; з них 25 ілюстрації за текстом; 65 ілюстрацій на 65 сторінках; 17 таблиць на 16 сторінках; 2 додатки на 22 сторінках; 79 найменувань використаних літературних джерел на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації з урахуванням тенденцій розвитку двигунобудування, зокрема використання технології автоматизованого проектування ДВЗ. Актуальність полягає в уточненні умов протікання теплообмінних процесів в парі стрижень клапана - направляюча втулка, в зоні міжклапанної перетинки головки циліндрів, у визначенні впливу на ці процеси локального охолодження.

У першому розділі визначено комплекс розрахункових моделей теплонапруженого та деформованого стану побудованих на основі методу скінчених елементів (МСЕ), який є найбільш розповсюдженим методом аналізу ТНС деталей ДВЗ. Розрахунковий аналіз проводиться з використанням програмного комплексу ANSYS. В розділі наводиться характеристика МСЕ та основні рівняння розрахункових моделей. Для розрахунку температурного поля головки циліндрів та клапанного вузла використовується рівняння стаціонарної теплопровідності у вигляді:

, (1)

, (2)

, (3)

, (4)

де t- температура; - внутрішнє джерело теплоти; - внутрішнє джерело теплоти, пропорційне температурі; - коефіцієнт тепловіддачі на поверхні S_; - температура середовища; , , - коефіцієнти теплопровідності в напрямку вісей анізотропії, для випадку ізотропії ; , , - направляючі косинуси зовнішньої нормалі; q - тепловий потік на межі S_q.

Граничні умови (4) відповідають теплообміну з зовнішнім середовищем по закону Ньютона.

Для випадку граничних умов 3-го роду та відсутності внутрішніх джерел теплоти рішення знаходимо шляхом мінімізації відповідного функціоналу:

(5)

На сьогоднішній день основні труднощі з використанням математичних моделей теплового стану деталей головки циліндрів та клапанного вузла для практичних цілей полягають у складності визначення граничних умов 3-го роду і . Процес уточнення потребує проведення комплексу взаємопов’язаних розрахунково-експериментальних досліджень. Складність поставленої задачі полягає також і у відсутності інформації в літературних джерелах про характер протікання реальних теплообмінних процесів в парі стрижень клапана – направляюча втулка, зоні міжклапанної перетинки, про вплив локального охолодження на ці процеси.

При рахунковому аналізі теплонапруженого та деформованого стану головки циліндрів та клапанного вузла розглядаються тільки ізотропні матеріали. Розрахунок напружено - деформованого стану клапанного вузла та головки циліндрів виконується за допомогою залежностей (6 - 8):

, (6)

де  - вектор напруження; - вектор деформацій; D - матриця жорсткості.

(7)

(8)