Поліпшення теплонапруженого стану головок циліндрів форсованих дизелів шляхом локального охолодження (стр. 3 из 5)
Стиснене повітря від компресора черезресивер та штуцер поступало в порожнину, утворену внутрішньою розточкою в направляючій втулці та стрижнем клапана, а далі по свердленням в стрижні клапана витікало в порожнину під клапанною кришкою.
Для ідентифікації розрахункової моделі охолоджуваного стисненим повітрям випускного клапана та направляючої втулки була виконана їх термометрія на моторному стенді для стаціонарних режимів роботи при надлишковому тиску охолоджуючого повітря Рпов = 0,1 - 0,3 МПа.
За результатами термометрії були збудовані залежності температури випускного клапана та направляючої втулки від навантаження для неохолоджуваних та охолоджуваних варіантів клапанів та втулок. Оцінено похибки вимірювання температури, які знаходяться в допустимих межах.
Зміна температури в контрольних точках серійного та охолоджуваного випускних клапанів, серійної та охолоджуваної направляючих втулок представлена на рис. 2 та рис. 3. Так для варіанта охолоджуваного клапана (рис. 2) на режимі з n = 1600 хв-1, Ne= 79,36 кВт та надлишковому тиску охолоджуючого повітря Рпов = 0,1 МПа зниження температури у контрольних точках склало: точка 1 - 40 оС, точка 2 - 125 оС, точка 3 - 79 оС точка, 4 - майже без змін.
Для охолоджуваної повітрям направляючої втулки(Рис. 3) на цьому ж режимі навантаження зниження температури у контрольних точках склало: точка 1 - 14 оС, точка 2 - 15 оС , точка 3 - 16 оС.
Як зазначалося, в роботі проведена також оцінка енергетичних витрат потужності дизеля на функціонування системи локального повітряного охолодження. В якості джерела стисненого повітря може розглядатись штатний привідний поршневий компресор, який створює на вході в систему локального охолодження надлишковий тиск Рпов = 0,1 - 0,3 МПа. У цьому випадку значення витрат охолоджувача Gв у перерахунку на чотири випускні клапани (дизель 4 ЧН 12/14) змінюються в залежності від навантаження, але витрати потужності двигуна не перевищують 0,4 - 0,6% від Ne.
Для ідентифікації вузлової моделі клапанного вузла та порівняльного розрахунково-експериментального аналізу змінення зазору в парі стрижень клапана - направляюча втулка в залежності від навантаження було проведено експериментальне дослідження.
Для контролю радіальних та вертикальних переміщень клапана в направляючий втулці використовувались індуктивні датчики, а для прив’язки до положення колінчастого вала - датчик верхньої мертвої точки індукційного типу. Три датчика радіальних переміщень було встановлено по висоті направляючої втулки в площині перекладки клапана з боку випускного колектора.
Експериментально визначене змінення зазору у парі стрижень клапана - направляюча втулка, біля нижнього торця втулки, для положення коли клапан знаходиться у відкритому положенні при роботі дизеля по навантажувальній
характеристиці від режиму Ne= 0 до Ne= 79,36 кВт склало 0,018 - 0,007 мм залежно від навантаження.
Шляхом вирішення зворотної задачі теплопровідності з використанням експериментальних даних уточнено значення ГУ теплообміну для ділянок серійного та охолоджуваного клапанного вузла.
Значення коефіцієнту тепловіддачі
для ділянок серійного клапанного вузла дизеля 4ЧН 12/14 змінюється від 50 до 3000 Вт/м2К, а температура 
від 60 до 750 оС. Для ділянок серійного клапанного вузла дизеля 16ЧН 26/27 
змінюється від 2 до 2300 Вт/м2К, змінюється від 75 до 790 оС,в залежності від розташування виділеної ділянки.Для охолоджуваного клапанного вузла дизеля 4ЧН 12/14 значення коефіцієнту тепловіддачі
змінюється від 50 до 3000 Вт/м2К, а температури від 40 до 750 оС.Для охолоджуваного клапанного вузла дизеля 16ЧН 26/27
змінюється від 2 до 2300 Вт/м2К, змінюється від 40 до 790 оС,в залежності від розташування виділеної ділянки.З використанням розробленої вузлової моделі клапанного вузла було виконано розрахунок температур, інтенсивностей напружень та оцінено мінімальні значення зазору в парі стрижень випускного клапана - направляюча втулка дизеля 4 ЧН12/14 для варіантів з існуючим та перспективним рівнем форсування. Результати розрахунку наведені в табл. 1
Таблиця 1
Результати розрахунку ТНС клапанного вузла дизеля 4 ЧН12/14
| Існуючий рівень форсування (Ре = 0,9 МПа) | ||||||
| Точки | 1 | 2 | 3 | Зазор у парі | ||
| Показники | t, оС | t, оС | i, МПа | min, мм | ||
| Серійний клапанний вузол | 105 | 235 | 83 | 3· 10-4 | ||
| Охолоджувані повітрям Рпов = 0,1 МПа | Клапан | 85 | 170 | 85 | 1,2 ·10-3 | |
| Втулка | 100 | 235 | 83 | 1,5· 10-3 | ||
| Сумісне | 75 | 170 | 86 | 2· 10-3 | ||
| Перспективний рівень форсування (Ре = 2,1 МПа) | ||||||
| Серійний клапанний вузол | 130 | 305 | 100 | - | ||
| Охолоджувані повітрям Рпов = 0,1 МПа | Клапан | 100 | 220 | 102 | 0,7 ·10-3 | |
| Втулка | 128 | 305 | 100 | 0,9· 10-3 | ||
| Сумісне | 85 | 220 | 104 | 1,3· 10-3 | ||
У третьому розділі уточнено моделі, які дозволяють проаналізувати ТНС головки циліндрів автотракторного та тепловозного ДВЗ для випадку використання локального охолодження зони перетинки між отворами під сідлами клапанів. Модель з достатньою точністю дозволяє враховувати наявність у вогневому днищі каналів системи локального охолодження, як засобу зниження термічних напружень.
Проаналізовані проблеми руйнування найбільш теплонапруженого фрагменту головки циліндрів - перетинки між отворами під сідла клапанів. Встановлено, що такий дефект, як прогоряння та тріщини перетинки між отворами під сідла клапанів зустрічаються, в головках циліндрів, як вітчизняного, так і зарубіжного виробництва.
Виникнення такого дефекту пояснюється насамперед значними температурними градієнтами, що виникають у вогневому днищі головки під час роботи двигуна.
Розробка комплексу моделей теплонапруженого та деформованого стану головки циліндрів складається з таких основних етапів: створення геометричної моделі в тримірній постановці, створення скінчено елементної моделі, розробки схеми призначення та саме призначення ГУ задач теплопровідності та механіки, виконання розрахунків та їх аналіз. Наведені етапи є визначальними для кожної головки циліндрів дизелів різних типів.
Скінченоелементна модель головки циліндрів автотракторного дизеля 4ЧН 12/14 представлена на рис.5, а головки циліндру тепловозного дизеля 16ЧН 26/27 на рис.6.
При призначенні ГУ задачі теплопровідності по ділянках теплообмінної поверхні розрахункових моделей було проаналізовано результати відомих розрахунково-експериментальних досліджень професорів Г.Б. Розенбліта, М.Д. Чайнова, М.Х. Дьяченка та інш. При розробці схеми ГУ задачі теплопровідності були використані експериментальні данні термометрії головок циліндрів, виконаної на кафедрі ДВЗ НТУ “ХПІ”.
Здобувачем розроблена розрахункова модель головки циліндрів дизеля 4ЧН 12/14 та головки дизеля 16ЧН 26/27 з системою каналів локального повітряного охолодження зони вогневого днища (охолоджувані сідла клапанів та зона перетинки між сідлами клапанів).
Відомих даних недостатньо для відтворення з задовільною точністю умов теплообміну в каналах локального охолодження, тому ці задачі були вирішені за допомогою фізичного експерименту на безмоторному стенді.
У четвертому розділі наведено результати експериментально-розрахункового дослідження моделювання умов локального повітряного охолодження зони вогневого днища фрагменту головки циліндрів дизеля 4ЧН 12/14. Метою цієї частини дослідження було уточнення ГУ задачі теплопровідності при дослідженні ТНС головки циліндрів з системою локального охолодження вогневого днища, зокрема зони перетинки між сідлами клапанів.
Фрагмент головки циліндрів нагрівався до заданої температури за допомогою плавильної електропечі відкритого типу за рахунок вільної конвекції та теплообміну випромінюванням.
Уточнення значень ГУ задачі теплопровідності по ділянках теплообмінної поверхні каналів локального повітряного охолодження виконано шляхом вирішення зворотної задачі теплопровідності за експериментальними даними термометрії фрагменту головки циліндрів.
Значення ГУ теплообміну по ділянках каналів локального охолодження головки дизеля 4 ЧН 12/14 змінюються:
від 300 до 450 Вт/м2К, а від 30 до 85 оС.Температури в контрольних точках порівнювались з експериментальними даними термометрії головки циліндрів дизеля 4ЧН 12/14 на режимі з Ne = 110кВт та n= 2000хв-1, проведеноїпроф. Є.І. Третяком на кафедрі ДВЗ НТУ “ХПІ”.