Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 84
Текст из файла (страница 84)
Отливки из серого чугуна подвергаются искусственному старению при температуре около 575 °С в течение 24 ч.На рис. 9.60 показана зависимость основных механических характеристик стали 20ХМл от температуры.Для литейных алюминиевыхсплавов температура на поверхноРис. 9.60. Зависимость механических характеристикстали 20ХМл от температуры405сти днища головки не должна превышать 250 °С вследствие значительного снижения (при ее дальнейшем росте) прочностных характеристик и усиления релаксациитемпературных напряжений.9.7.
Моделирование тепловогои напряженнодеформированногосостояний головки (крышки)цилиндров9.7.1. Условия теплообмена примоделировании стационарноготеплового состояния головки(крышки) цилиндровНа установившемся режиме работы поршневого двигателя температурное поле головки (крышки)цилиндра практически стационарно. Циклические колебания температуры незначительны и распространяются на поверхностные слоиматериала со стороны камеры сгорания, быстро затухая по глубине.Определение граничных условийтеплообмена при моделированиитепловогосостоянияголовки(крышки) цилиндра является сложной задачей вследствие многообразия поверхностей головки цилиндра, на которых имеют место различные виды теплообмена от конвективнолучистого на огневой поверхности днища до режима поверхностного кипения на охлаждаемых поверхностях днища ивыпускных патрубков.В качестве граничных условийсо стороны камеры сгорания и газовоздушных патрубков используются условия теплообмена третьегорода.
Коэффициент теплоотдачи aгопределяется по формуле (4.8) споследующим осреднением за рабочий цикл двигателя. Распределение по поверхности днища локального коэффициента теплоотдачиможно принять в первом приближении таким же, как при расчететеплового состояния поршня. В частности, для дизелей с открытымикамерами сгорания изменение осредненного за цикл коэффициентатеплоотдачи aгср по радиусу можноопределить по формуламüï1 + exp((C1 R1 ) )ïпри r £ R1 ; ïïý2 K 1 a гср exp(C 2 (K 2 N 2 - r )) n 2 ïaг=ï1 + exp((C1 R1 r ) n 1 )ïпри r ³ R1 ,ïþ(9.20)aг=2 K 1 a гср exp((C1 r ) n 1 )n1где aг – локальное значение коэффициента теплоотдачи; R1 – радиус,на котором aг достигает максимального значения; K1 – отношениесреднего по поверхности днища коэффициента теплоотдачи к среднемузначению коэффициента теплоотдачи по всей поверхности камеры сгорания.
Константы K2, n1, n2, C1, C2, N2определяются по заданным величинам aг min, aг max, aгпер соответственнона радиусах r = 0, r = R1 и r = 0,5D.При n1 = n2 = n1R (C + C 2 )1; C1 =N2 = 1 1K 2C 2R1é æ a maxêlnç aë è minöù n÷ú ;øû1éæaöù nR1 C1 - ê(R1 C1 ) n - lnç max ÷úè a min øûë.C2 =0,5D - R1(9.21)При работе двигателя значительное количество теплоты, помимо огневого днища, подводится кстенкам выпускного канала. За период выпуска теплообмен в кана406лах головки цилиндра описываетсяформулойNu г = 0,33Re 0,67 Pr 0,33 ,(9.22)(a г dэкв )4F(здесь dэкв = к ;lгПFк – площадь проходного сечения канала; П – периметр канала; lг – тепw dлопроводность газа); Re d = г эквnг(здесь wг – скорость газа; nг – кинеnматическая вязкость газа); Pr = гaг(здесь аг – температуропроводностьгаза).При закрытом клапане теплообмен в канале определяется колебаниями давления газа и естественной конвекцией.
В этом случаегде Nu г =Nu г = 2,37F 0-0,43´ (1 + 0,00053Gr´0, 33При определении стационарного температурного поля крышки навнутренних контурах, соответствующих отверстиям под клапаны,следует задавать средние значенияпараметров, характеризующих теплообмен в целом за весь цикл –средний тепловой поток qLj, соответствующие ему приведенный коэффициент теплоотдачи aLj и результирующую температуру клапана T кл Lj по теплоотдаче:1éq Lj = ê ò a гс (T c -T гс )dj +q êj 0ëù+ F ò a к (T c -T фкл )dj ú ;úûjЗö1æa Lj = ç ò a гс dj + F ò a к dj ÷;÷q ç j0jЗèø+ 0,00051Re d0,8 ),(9.23)a t(здесь t – время);где F 0 = г2dэквbgl 3 DT(b – коэффициент объGr =n г2емного расширения; l – длина канала; DТ – перепад температур междугазом и стенкой).Полученные значения коэффициента теплоотдачи осредняютсяпо углу поворота коленчатого вала.На температурное поле крышкизначительное влияние оказываеттеплообмен на боковых поверхностях отверстий под клапаны (в первую очередь, выпускные).
От клапанов, имеющих высокую температуру при значительном коэффициенте теплоотдачи между фаской ипосадочной поверхностью, крышкепередается значительный тепловойпоток.T кл Lj =(9.24)(9.25)ò a гсT гс dj + F ò a кT фкл djj0jЗò a гс dj + F ò a к djj0,jЗ(9.26)где aгс, aк – коэффициенты теплоотдачи для седла соответственнопри открытом и закрытом клапанах, в случае контактного теплообмена имеют различные значениядля впускного и выпускного клапанов (см. гл. 8); j0, jЗ, q – соответственно продолжительность открытия и закрытия клапана и длительность цикла в градусах угла поворота коленчатого вала; Тс, Тгс, Тфкл –температуры соответственно седла,омывающей среды (газа или воздуха) и фаски клапана; F – отношение площадей контакта клапана(опорного пояска) и площади боковой поверхности днища на контуре Lj.407Соответствующее приведение можно выполнить и по средней температуре среды, омывающей контур Lj.В качестве граничных условийнаряду с коэффициентом теплоотдачи и средней результирующейтемпературой газа часто используют удельный тепловой поток q0.Средний в пределах детали тепловой поток qS может быть определенв первом приближении по формулеk k(c m pк )qS = тaв режиме вынужденной конвекциии поверхностного кипения.
Коэффициент теплоотдачи зависит отособенности обтекания детали приохлаждении.В условиях вынужденной конвекции, характерных для периферийных зон днища и выпускныхпатрубков, может быть использована зависимостьSt = 292 Re 0,583 ,0, 57,(9.27)где kт = 4,27 и 7,6 соответственнодля четырех и двухтактных дизе3лей; k = 1,32×10 для головок цилиндров; сm – средняя скорость поршня; рк – давление наддува, МПа; a –коэффициент избытка воздуха.Подсчитав qS, следует оценитьраспределение потока по поверхности, например, в зависимости отрадиуса в случае днища крышки,т.е. определить локальные значения теплового потока q0, которыеиспользуют при расчетах.Важным является и обоснованный выбор граничных условий состороны охлаждения.
При умеренных уровнях форсирования, когдатемпература омываемой жидкостьюповерхности крышки меньше температуры насыщения Тs охлаждающейжидкости, для расчета коэффициентатеплоотдачи использовали формулуa ж = (300 +1800 w ж )1163, ,(9.28)где aж измеряется в Вт/(м ×°С); wж –скорость движения охлаждающейжидкости.Системы охлаждения современных двигателей характеризуютсяболее высокими значениями aж посравнению со значениями aж поформуле (9.28). Охлаждение крышек цилиндров может происходить2(9.29)Nu– число Стантона; чисRe Prло Re отнесено к диаметру подводящего отверстия.В конструкциях со сверленымиканалами рекомендуется формулагде St =Nu = 2,02 Re m Pr 0,33 ( x ) 0,15 ,(9.30)где x – относительная длина канала; m = 0,4 x -0,135 .По мере повышения температурыохлаждаемой поверхности режимвынужденной конвекции переходитв режим поверхностного кипения.Для крышки цилиндра в этом случаеNu ж = 0,45 ×10 -2 ( pe¢¢ ) 0,27 ´0, 5æp ö´ K ф0,4 Prж0,3 çç ж ÷÷ ,è p0 ø(9.31)ql 0; Кф = r/(cDTs) –rr¢¢aжкритерий фазового превращения;r – скрытая теплота парообразования; DТs – разность температурнасыщения и теплоносителя; l 0 == s (r¢ - r¢¢) – характерный размер (здесь s – коэффициент поверхностного натяжения); pж иp0 – давление соответственно вконтуре охлаждения и атмосферное; r¢ и r² – плотность соответственно жидкости и пара.где pe¢¢ =408При незначительном превышении температуры охлаждаемой стенки значения Тs преобладает режимвынужденной конвекции.
В дальнейшем теплоотдача определяетсясовместным влиянием вынужденной конвекции и поверхностногокипения, а коэффициент теплоотдачи определяется в соответствии с зависимостью (9.11).Значения aж, получаемые по приведенным зависимостям, следует рассматривать как ориентировочные.Они могут служить в качестве первого приближения для задания локальных граничных условий при расчететемпературного поля. Последние назначают с учетом результатов многочисленных расчетов, а главное, поэкспериментальным данным, полученным на работающих двигателях.Вследствие ограниченности этихданных важное значение имеет решение обратных задач теплопроводности, позволяющее на основании температурного поля детали получитьадекватное распределение параметров теплообмена по ее поверхности.9.7.2.
Математические моделиопределения теплового состоянияголовки (крышки) цилиндровПри расчете теплового состояниякрышек (головок) цилиндров первостепенное значение имеет определение температурного поля днища.Сложность конструкции и высокаянапряженность крышек цилиндровдизелей способствовали широкомураспространению в двигателях различного класса и назначения конструкций с плоским днищем. Расчеттеплового состояния днища сводят красчету пластины произвольногоконтура с системой отверстий призаданных условиях теплообмена(см. рис. 2.1) на поверхностях пластины. Обоснованный выбор условий теплообмена является сложнойзадачей.
Так, при расчете тепловогосостояния крышки требуется знаниетемпературного состояния клапанови втулки цилиндра, контактирующей с крышкой непосредственноили через прокладку.При расчете клапанов и втулкитребуется знать тепловое состояниекрышки. Указанная задача решаетсясозданием расчетной схемы (например, полной конечноэлементноймодели) всего узла.
Сложность такоймодели обусловливает ее использование при выполнении расчетов назаключительном этапе проектирования, после расчетной оценки различных вариантов деталей ЦПГ.Как и в случае других сложныхдеталей двигателей, при расчететемпературного поля крышки цилиндра можно выделить ряд математических моделей, отличающихся степенью детализации геометрических особенностей крышки и сопряженных с ней деталей.При использовании простейшихмоделей расчет сводился к определению среднего температурного перепада DT ² по толщине огневогоднища от тепловой нагрузки (теплового потока q): DT ² = qt/l (здесь t –толщина днища).
Тепловой поток qопределяли экспериментально. Более современные модели анализатемпературного поля основаны начисленных методах расчета.Принимая квадратичное распределение температуры по толщинеднища, задачу расчета его температурного поля сводят к определениютемпературы Т0 срединной поверхности. При этом основное дифференциальное уравнение задачи, полученное с использованием соотношения (2.12), и соответствующийфункционал совпадают с уравнением (2.13) для стационарного случаяи функционалом (2.19).Если представить днище крышки в виде набора элементов, напри409мер, треугольного типа (рис.
9.61),то задача расчета теплового состояния днища будет заключаться в нахождении температур узловых точек Т0i срединной поверхности.Учет локальности условий теплообмена на поверхностях днищаосуществляется заданием граничных условий теплообмена по зонам, на которые разделены его поверхности, включая боковые поверхности отверстий под клапаны.Применительно к крышке цилиндров двигателя типа ЧН26/26 с использованием допущения о симРис. 9.61. Двухмерная конечноэлементная модель днища крышки цилиндраметрии (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
