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 (Т_рез — Т_охл)

В этой формуле Т_рез — 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 (Т_рез — Т_ст1);
q = λ / δ (Т_ст1 — Т_ст2)

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

Т_ст1 и Т_ст2 — средняя температура стенок камеры сгорания, — то средние температуры стенок определятся равенствами:

Т_ст1 = Т_рез — q / α₁

Т_ст2 = Т_ст1 — 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 V_х (или положения поршня S_х):

T_х = P_х V_х 10⁴ / (GR)

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

G = μL (1 + γ_г) — 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 α_1х. Приемлемые результаты при расчетах дает «улучшенная» формула Эйхельберга:

α₁ = 50,1 ⋅ ³ √C_m ⋅ √PT ⋅ ⁴ √P_k кДж/м² час К

• где С_т — средняя скорость поршня;
• Р_к — 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:

Т_рез = (α₁T)_ср / α_1ср

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 t_рез и средняя t_ср температуры газов связаны соотношением:

• t_рез = (l,5-l,8) t_ср °€ — для 4-тактных ДВС;
• t_рез = (1,3-1,6) t_ср °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:

q_m = β Q_т / F_ц = β G_т Q_н / F_ц ккал/м²час

• где β — доля тепла, передаваемого в охлаждающую среду;
• G_т — часовой расход топлива на двигатель;
• Q_н — теплотворная способность топлива;
• F_ц — площадь поверхности цилиндра.

Часовой расход топлива равен:

В = g_еN_е = g_еP_е V_sn i / (0,45 m) = g_еP_е A (C_m / m)

• где C_m = 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:

q_m = β Q_н A g_е Р_е C_m / (F_ц m)

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

А_о = Αβ Q_н g_е / F_ц

Тогда: g_m = А _o Pе С _m / m = А_o K_e

Величина: К_e = Р_e С_m / m

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

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