Наиболее достоверные данные о тепловой напряженностиИзменение 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 = α1 (Трез — 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

Для этих же моментов индикаторного процесса рассчитываются коэффициенты теплоотдачи α1х. 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 напряженностиИзменение 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.