Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ПОРШНЕЙ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ МОЩНОСТИ ДИЗЕЛЕЙ 9
1.1. ТЕПЛОВАЯ И МЕХАНИЧЕСКАЯ НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОРШНЕЙ ... 10
1.2. СТРУЙНОЕ, ЦИРКУЛЯЦИОННОЕ И ЛОКАЛЬНОЕ МАСЛЯНОЕ
ОХЛАЖДЕНИЕ 16
3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ РАСЧЕТНОГО
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ПОРШНЯ 30
3.1. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ ТЕМПЕРАТУРНОГО И
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДУЕМЫХ
ВАРИАНТОВ КОНСТРУКЦИИ ПОРШНЕЙ 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 59
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 61
Отечественное двигателестроение развивается по пути повышения удельной мощности, улучшения топливной экономичности и эксплуатационных свойств дизелей.
Увеличение мощности дизелей осуществляется в основном форсированием их по частоте вращения и среднему эффективному давлению. Применение газотурбинного наддува, в сочетании с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха, являющегося одним из наиболее эффективных путей форсирования дизелей, приводит к интенсификации всех процессов, происходящих в цилиндре, в том числе процесса теплоотдачи от горячих газов к стенкам камеры сгорания.
В свою очередь, интенсификация теплообмена влечёт за собой значительное повышение температур и температурных градиентов в деталях ЦПГ, что отрицательно влияет на их работоспособность. Таким образом, основным ограничением степени возможного форсирования является тепловая напряжённость деталей, образующие камеру сгорания и определяющих надёжность и долговечность двигателя.
Высокая тепловая и механическая напряженность поршня при эксплуатации дизелей является основной причиной его выхода из строя. Высокие температуры в камере сгорания сказываются не только на тепловых деформациях и напряжениях, что приводит к изменению теплофизических и механических свойств материалов. При высоком уровне температур поверхностей поршня существенное значение начинают проявлять особенности поведения материала, связанные с продолжительностью пребывания под нагрузкой и снижению временного сопротивления материала при изменении температуры и сил давления газов. В этом случае тепловая нагруженность поршня, которая влияет на ресурс поршневых колец, сопровождается появлением трещин на кромках горловины камеры сгорания и оплавлением их с последующим выходом из строя поршня.
Особую опасность представляет высокий уровень температур в районе верхнего компрессионного кольца. Высокие температуры в этой зоне приводят к интенсивному крекингу масла на рабочей поверхности поршня и гильзы, что приводит к залеганию поршневых колец. Кроме этого, нагароотложение способствует преждевременному износ картерного масла, снижению его смазывающих свойств и, соответственно, снижению срока службы двигателя. Поэтому снижение тепловой нагруженности путем совершенствования конструктивных особенностей поршня является приоритетным решением.
Важной задачей на этапе создания новых и модернизации существующих двигателей является достоверное прогнозирование температурных полей поршней. К настоящему времени основным расчётным методом, дающим возможность с достаточной точностью определять тепловое и напряжённо- деформированное состояния деталей двигателя, стал метод конечных элементов. Уровень существующих программных пакетов обеспечивает высокую точность получаемых результатов. Решающую роль в оценке теплового состояния играет достоверность определения граничных условий теплообмена по многочисленным поверхностям поршня.
Достижение оптимального температурного режима деталей камеры сгорания при современном уровне форсирования ДВС часто требует интенсификации теплоотдачи в охлаждающую жидкость. Применительно к поршням речь идёт о принудительном масляном охлаждении.
Для повышения эффективности систем охлаждения все большее распространение получает локальное жидкостное (масляное) охлаждение поршней с размещением в их головках специальных замкнутых полостей.
Замкнутые полости локального масляного охлаждения в поршнях характеризуются рядом конструктивных особенностей: числом, конфигурацией, объемом и внутренней поверхностью полости охлаждения, формой ее поперечного сечения, степенью заполнения и расходом смазочного охлаждающего масла через полость, числом и геометрией подводящих и сливных каналов и т.п.
Проанализировав проведенные расчеты коэффициента теплоотдачи, теплообмен, тепловой напряженности, прочностной, коэффициента запаса, можно с уверенностью сказать, что комплекс принятых технических решений в разработанном поршне позволяют увеличить, не только надежность и долговечность дизеля, но также позволяют форсировать двигатель.
Принудительное охлаждение в центральной и локальной кольцевой полостях, реализующих циркуляционное со взбалтыванием движении масла, являются самым эффективным методом снижения тепловой нагруженности поршня при рациональных форме и расположении поперечного сечения полости охлаждения.
Необходимо сказать о отверстиях сообщающих полости охлаждения между собой, что позволяет осуществить удвоенную прокачку масла в центральную полость, так как расход через шатун меньше, чем через маслофор- сунку. За счет этого достигается эффективное охлаждение центральной части днища поршня.
Предлагаемые технические решения системы масляного охлаждения элементов поршня позволяют обеспечить приемлемое тепловое состояние поршня при форсировании двигателя.
В работе выполнены оценка эффективности способов снижения температуры, расчетный анализ рабочего цикла дизеля и граничных условий теплообмена при реализации локального охлаждения размещением полостей в головке поршня. Рекомендованы форма и расположение поперечного сечения полости, способ подачи смазочного масла в полость охлаждения от неподвижной маслоподающей форсунки. Обеспечена приемлемая температура в наиболее теплонагруженных зонах поршня, что дает возможность рекомендовать поршень ЮУрГУ как вариант для импортозамещения.
Окончательная оценка эффективности охлаждения поршня может быть установлена экспериментальной проверкой на дизелях.
