Расчетная оценка тепловой напряженности

Наиболее достоверные данные о тепловой напряженности могут быть получены путем экспериментальных исследований на «горячем» двигателе. Такой путь весьма сложен и дорог.

В процессе создания двигателя, а также при анализе условий работы выполненных конструкций, широкое применение находят методы электротепловой аналогии, как на объемной, так и на плоской моделях. Последний метод используется чаще, поскольку он проще, однако дает достаточно близкие результаты к реальным.

Расчетная оценка средних значений температуры стенок камеры сгорания может быть дана на основе общего уравнения теплопередачи:

q = К (Трез — Тохл)

В этой формуле Трез — результирующая температура газов в цилиндре; это — условно постоянная температура на протяжении всего рабочего цикла, при которой обеспечивается тот же удельный тепловой поток через стенки, что и при реально изменяющейся температуре газов в цилиндре.

Так как:

q = α1рез — Тст1);
q = λ / δ (Тст1 — Тст2)

где α1 — средний коэффициент теплоотдачи от газов к стенке камеры сгорания;

Тст1 и Тст2 — средняя температура стенок камеры сгорания, — то средние температуры стенок определятся равенствами:

Тст1 = Трез — q / α1

Тст2 = Тст1 — q δ / λ

Результирующая температура газов в цилиндре и средний коэффициент теплоотдачи определяются графоаналитическим путем. Для этого расчет индикаторного процесса дополняется расчетом температуры газов для каждого объема газов Vх (или положения поршня Sх):

Tх = Pх Vх 104 / (GR)

где Px,Vx — давление и объем в цилиндре (определяются с помощью индикаторной диаграммы);

G = μL (1 + γг) — вес газов в цилиндре;

R — газовая постоянная.

Итог расчета температуры газов в цилиндре двигателя ДКРН 80/160 по данным действительной индикаторной диаграммы приведен на рис. 1

Рис. 1 Итоги расчета температуры газов в цилиндре дизеля K80GF

Для этих же моментов индикаторного процесса рассчитываются коэффициенты теплоотдачи α. Приемлемые результаты при расчетах дает «улучшенная» формула Эйхельберга:

α1 = 50,1 ⋅ 3 √Cm ⋅ √PT ⋅ 4 √Pk кДж/м2 час К

  • где Ст — средняя скорость поршня;
  • Рк — давление наддува;
  • Р, Т — давление и температура газов в цилиндре.

Далее для каждой расчетной точки определяются произведения α1T, строятся графики (α1T) = f(τ) и α1 = f(τ). Из графиков находятся средние значения ( α1T)ср и α ср.

Результирующая температура находится из отношения:

Трез = (α1T)ср / α1ср

Результирующая температура, определяющая средний тепловой поток, выше средней температуры газов за цикл, так как коэффициент теплоотдачи от газов к стенке при высоких температурах и давлениях больше, чем при низких, и носит нелинейный характер.

Обычно результирующая tрез и средняя tср температуры газов связаны соотношением:

  • tрез = (l,5-l,8) tср °€ — для 4-тактных ДВС;
  • tрез = (1,3-1,6) tср °С — для 2-тактных ДВС.

Оценка тепловой напряженности может быть дана и другим путем — с помощью критериальных зависимостей. Так, можно записать для осредненной удельной тепловой нагрузки цилиндра:

qm = β Qт / Fц = β Gт Qн / Fц ккал/м2час

  • где β — доля тепла, передаваемого в охлаждающую среду;
  • Gт — часовой расход топлива на двигатель;
  • Qн — теплотворная способность топлива;
  • Fц — площадь поверхности цилиндра.

Часовой расход топлива равен:

В = gеNе = gеPе Vsn i / (0,45 m) = gеPе A (Cm / m)

  • где Cm = S n / 30 — средняя скорость поршня;
  • m — коэффициент тактности;
  • А = 52,3 D2 i — постоянная для конкретного двигателя величина.

Подставив значение расхода топлива в формулу, найдем:

qm = β Qн A gе Ре Cm / (Fц m)

Приняв, что при полной нагрузке однотипных ДВС относительное количество тепла в охлаждающую среду примерно одинаково (β ≈ idem), удельный расход топлива также отличается незначительно (gе ≈ idem), можно отнести эти величины к постоянной Ао:

Ао = Αβ Qн gе / Fц

Тогда: gm = А o Pе С m / m = Аo Ke

Величина: Кe = Рe Сm / m

-может служить критерием тепловой напряженности, поскольку определяет тепловую нагрузку цилиндра. В то же время, этот критерий учитывает давление в цилиндре (через величину Рe) и силы инерции (через скорость Сm). Поэтому критерий Кe является критерием и механической напряженности. Значения его находятся в пределах:

Кe = 12 — 27 — для 4-тактных ДВС без наддува;
Кe = 18 -100 — для 4-тактных ДВС с наддувом;
Кe = 18 — 32 — для 2-тактных ДВС без наддува;
Кe = 32 — 95 — для 2-тактных ДВС с наддувом.

Август, 23, 2016 458 0
Читайте также