Двигатели
внутреннего сгорания

 
         

 

Главная
Основы конструирования
Расчеты
Силы и моменты
Поршневая группа
Шатуны и штоки
Коленчатые валы
Подшипники
Система газораспределения
Корпусные детали
Анализ конструкции
Устройство и
принцип действия

КШМ
ГРМ
Система смазки
Система охлаждения
Система питания
Система зажигания
Пуск двигателей
Увеличение мощности
Разное

Тепловое состояние деталей двигателя и методы его определения

Многочисленные эксперименты по определению теплового состояния отдельных деталей двигателей показывают, что для большинства из них, и в первую очередь для крышки цилиндра, поршня и втулки, тепловое состояние на установившихся режимах работы двигателя практически не меняется.
Теплонапряженные детали двигателя имеют, как правило, сложную геометрическую форму, а их отдельные элементы находятся в тепловом, силовом и кинематическом взаимодействии.
Теплообмен на поверхностях деталей, образующих камеру сгорания двигателя, является сложным процессом, и для его описания, даже приближенного, используются практически все виды граничных условий. Кроме того, при работе на неустановившихся режимах, характерных для эксплуатации большинства современных двигателей, тепловое состояние их деталей может меняться по времени. В этом случае задача определения поля температур в отдельных точках тела в текущие моменты времени связана с решением уравнения теплопроводности, которое при постоянных теплофизических характеристиках материала имеет вид где Т- температура детали в точке; X, а-коэффициенты соответственно теплопроводности и температуропроводности материала; т-время; Q-количество теплоты, выделяющейся в единице объема в единицу времени внутренними источниками теплоты (при их наличии).
Для решения уравнения (8) используют начальное и граничные условия. В качестве первого задают закон распределения температуры в начальный момент времени т = 0 в виде.
Изменение температуры, имеющее колебательный характер, происходит только в поверхностных слоях материала деталей. Поэтому при определении температурного состояния теплона-пряженных деталей двигателя на установившихся режимах работы в уравнении (8) правую часть принимают равной нулю и используют уравнение стационарной теплопроводности
Следуя единому методическому подходу к решению задачи, действительные условия нестационарно-периодического теплообмена в цилиндре двигателя заменяют некоторыми стационарными условиями. Параметры, характеризующие такие условия, определяют в этом случае, исходя из равенства осред-ненных по времени нестационарных локальных тепловых потоков в действительном процессе и локальных тепловых потоков в условном стационарном процессе. В качестве основных граничных условий, описывающих тепловое взаимодействие поверхностей деталей и окружающей среды, используют следующие: условие рода распределение температуры по поверхности  или ее части: где заданная на поверхности тела функция температуры; условие рода плотность теплового потока q0 через поверхность F или ее часть F2: где внешняя нормаль к поверхности тела в точке с координатами х, у, z;
условие III рода-температура окружающей среды Тср и закон теплообмена между средой и поверхностью F или ее частью F3: где а - коэффициент теплоотдачи на поверхности детали; условие IV рода-теплообмен системы тел, происходящий по закону теплопроводности.
В простейшем случае идеального контакта между элементами или слоями материалов сложной детали имеют место следующие соотношения:

Кроме линейных граничных условий, существуют и нелинейные. К ним в первую очередь относятся условия, характеризующие теплообмен излучением. В общем случае приведенные зависимости могут носить временной характер, т.е. содержать фактор времени.
Как и в случае определения напряженно-деформированного состояния, задача интегрирования уравнения теплопроводности (8) или его частных форм в математическом отношении эквивалентна задаче определения функции температуры Т, обеспечивающей стационарность соответствующего функционала, имеющего применительно к уравнению (8) с условиями однозначности (9)-(14) вид. Фактической реализацией упрощенного подхода являются решения плоской и осесимметрич-ной задач теплопроводности и теории упругости, а также решение задач с использованием технической теории тонких пластин и оболочек, обеспечивающие во многих практически важных случаях достаточную точность. Они нашли широкое применение при расчетах различных деталей двигателя. Одно из преимуществ методов решения задачи, основанных на вариационных принципах, заключается в том, что порядок производных подынтегрального выражения функционала (15) вдвое ниже порядка исходного дифференциального уравнения теплопроводности. Это обусловливает расширение класса допустимых функций, с помощью которых строится решение.
При решении задачи целесообразно обоснованно упрощать модель. Так, определение пространственного температурного поля в элементах многих теплонапряженных деталей двигателя можно свести к двухмерной, а в некоторых случаях к одномерной задаче теплопроводности. Рассмотрим представленную на рис. 18 пластину произвольной формы толщиной t при заданных условиях теплообмена на поверхностях с внутренними Lj — Lm и наружным Lm+l контурами, а также на поверхностях z = + 0,5f. Срединная поверхность пластины расположена в плоскости XOY. Индексы 1, 2, j при температуре среды Т-, коэффициенте теплоотдачи а и тепловом потоке q0 относятся соответственно к поверхностям z = 0,5f, z = — 0,5* и поверхности контура Lj пластины.
Понижение мерности задачи осуществляют с помощью аппроксимации распределения температуры по толщине t полиномом относительно координаты z, нормальной к срединной поверхности пластины. Для теплонапряженных деталей двигателя результаты многочисленных расчетов и экспериментов показали, что достаточную для практики точность обеспечивает квадратичный закон распределения где Г0-температура срединной поверхности пластины, являющаяся функцией координат х и у\ Tlt Т2 -функции координат х и у, подлежащие определению.
После подстановки выражения (16) в дифференциальное уравнение (8), умножения членов последнего на z° = 1 ,z,z2 и интегрирования результатов по 2 от — 0,51 до 0,51 получаем систему трех дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных относительно функций Т0, Г, и Т2. Эта система будет содержать только две координаты х и у. Для дальнейшего упрощения задачи подставим уравнение (16) в выражения граничных условий (12) и (13) и выразим функции 7\ и Т2 через температуру Т0 срединной поверхности и параметры теплообмена на поверхностях z = ± 0,5£. Окончательно получим толщина цилиндрической оболочки; dB о „-соответственно внутренний, средний и наружный диаметры оболочки.
В общем случае уравнения (18) и (19) являются уравнениями с переменными коэффициентами, так как величины fx и /2 даже в стационарной задаче характеризуют локальный теплообмен и зависят от координат 1 и Ц
Функционалы, соответствующие уравнениям (18) и (19), при стационарном распределении температуры имеют вид область интегрирования; 5-граница области интегрирования; F2, S2 и F3, 53 относятся к граничным условиям соответственно второго и третьего рода.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 



  Разработано специально для liciss.ru, все права защищены.
Копирование материалов сайта разрешается только с указанием прямой индексируемой ссылки на источник.