Повышение эффективности охлаждения днища поршня дизеля преобразованием формы и характера движения струи охлаждающего масла

Среди относительно простых способов снижения тепловой нагруженности поршней форсированных дизелей широко используется струйное охлаждение внутреннего днища маслом, непрерывно истекающим из сопла неподвижной форсунки. Форсунка соединена с главной масляной магистралью системы смазки дизеля. Недостатками такого способа охлаждения поршня являются локализация охлаждаемой области, вследствие сосредоточенного контактирования струи с поверхностью внутреннего днища, высокий уровень потерь охлаждающего масла из-за отражения струи при ударе о поверхность с последующим сливом в картер дизеля и ограниченное время соприкосновения масла с поверхностью внутреннего днища.

В целях повышения эффективности струйного охлаждения необходимо увеличить поверхность днища, омываемого маслом, и создать направленное движение масла вдоль этой поверхности и одновременно увеличить время контактирования. Для этого целесообразно образование под внутренним днищем поршня плоского канала охлаждения, формирующего поток масла в виде пленки определенной толщины с развитой охлаждающей граничной поверхностью. Это снижает потери масла, участвующего в процессе теплообмена, и обеспечивает его равномерное распределение по омываемой поверхности внутреннего днища поршня.

Указанное достигается постановкой специальной вставки 1 под внутреннее днище 2 поршня, повторяющей форму днища и стенок 3 и образующую с поверхностью днища канал охлаждения 4, постоянного сечения в продольном направлении с высотой h (рис. 1, а, б). Стенки 12 вставки опираются посредством отверстий 13 на поршневой палец. Направляющие 9 вставки отогнуты в сторону сопла, образуя со стенками поршня входной 11 конфузорный и выходной диффузорный каналы. Масляная струя 10, истекая из сопла 5 (с внутренним диаметром d с , равным 2,0 мм) неподвижной форсунки, попадает во входной конфузорный канал, далее в охлаждающий канал и стекает в картер через выходной диффузорный канал. При этом форма поперечного сечения струи преобразуется, приобретая плоскую прямоугольную форму поперечного сечения канала с высотой h.

Для обеспечения эффективной работы рассматриваемого устройства выполнена оптимизация высоты h канала с использованием разработанной в этих целях модельной установки (рис. 2, г). В верхней части модельного поршня 17 укреплено прозрачное стекло 16, через которое наблюдалось движение масла в канале охлаждения и оценивалась в статике доля F м омываемой верхней поверхности канала. Одновременно с использованием устройства сбора 21 масла, прошедшего через канал, в емкость 19 и секундомера 20 определялся расход G м масла в канале при различных значениях его высоты h.

Рис. 1. Струйное охлаждение поршня (а) повышенной эффективности в канале, образованном внутренним днищем и специальной вставкой (б)

Установлено, что с увеличением h уменьшается омываемая поверхность внутреннего днища поршня и повыша ется расход масла в канале (рис.2, в). Изменяется и характер его циркуляции. При уменьшении высоты канала ослабляются вихревые токи и обратные течения в потоке масла и характер его циркуляции напоминает ламинарное движение. Оптимальная величина hопт установлена на компромиссной основе в результате анализа изменения расхода охлаждающего масла Gм и поверхности теплообмена Fм. При этом преследовалась цель обеспечения наибольшей эффективности теплообмена между поршнем и охлаждающим маслом. Значение hопт составляет 1…2 внутреннего диаметра dс сопла 5.

Ограничить высоту h канала необходимо для обеспечения при заданном давлении максимального расхода масла. Уменьшение высоты h сопровождается увеличением гидравлического сопротивления за счет роста профильных потерь трения. Чрезмерное увеличение высоты h, помимо снижения площади омываемой поверхности днища, приводит к увеличению гидравлического сопротивления за счет появления колебательной составляющей скорости потока масла в поперечном направлении под действием инерционных сил перемещения поршня.

При частичном заполнении канала охлаждения на характер циркуляции масла, зависящий от инерционных сил, формы поперечного сечения, условий подачи и слива, наибольшее влияние

Рис. 2. Зависимости расхода охлаждающего масла и доли омываемой маслом поверхности внутреннего днища поршня от высоты h канала (a), определенные при испытании модели (б) (d с =2 мм, Р м =0,25 МПа, t M =90 ° С)

оказывает движение поршня. Можно предположить, что движение масла в канале охлаждения поршня подчиняется законам механики твердого тела, о чем свидетельствуют кадры скоростной киносъемки, выполненные специалистами фирмы Fata (Италия). При частичном заполнении масло попеременно омывает верхнюю и нижнюю поверхности канала в зависимости от направления движения поршня. В этом случае в теплообмене участвует не вся поверхность канала охлаждения, а лишь та часть, которая омывается маслом. Большую часть хода поршня масло оказывается

Расчет и конструирование

прижатым к той или иной части поверхности и лишь вблизи ВМТ и НМТ происходит смена положения масла в канале. При заданной форме поперечного сечения канала охлаждения величина поверхности, омываемой маслом, зависит от степени его заполнения. Степень заполнения канала охлаждения оказывает влияние на коэффициент теплоотдачи от поршня к маслу. Величина поверхности канала, омываемой маслом, зависит от его расхода, значение которого также определяет степень заполнения канала. При выборе высоты h авторы преследовали цель обеспечить полное заполнение канала.

Эффективность струйного масляного охлаждения для снижения тепловой нагруженности поршня оценивалась экспериментально в одноцилиндровом отсеке дизеля 8ЧН 15/16 воздушного охлаждения при работе с двумя типами камер сгорания по нагрузочным характеристикам с частотой вращения коленчатого вала n=1700 мин–1. Температурное состояние определялось с использованием прерывистого токосъемного устройства и хромель-копелевых термопар, установленных в 8-ми характерных точках исследуемых поршней.

Результаты испытаний (рис. 3) показывают, что наибольшие абсолютный уровень и градиент температур в головке поршня наблюдаются при использовании камеры сгорания типа ЦНИ-ДИ. Максимальные значения температур имеют место на кромке горловины камеры сгорания и составляют 330.. .350 ° С. При использовании камеры сгорания типа ЯМЗ эти температуры равны 290^305 ° С. Разность температур между кромкой горловины и днищем камеры сгорания в поршне с камерой сгорания типа ЦНИДИ составляет 130^150 ° С, а в поршне с камерой сгорания типа ЯМЗ - 20.. .35 ° С. При этом абсолютное значение температуры днища камеры сгорания типа ЦНИДИ составляет 200 ° С, а камеры сгорания типа ЯМЗ - 270 ° С.

При использовании камеры сгорания типа ЯМЗ температурное поле головки поршня более равномерное, чем в поршне с камерой сгорания типа ЦНИДИ.

Отсюда следует важный вывод о необходимости (в целях выравнивания температурного поля и снижения температурных градиентов) локального охлаждения области кромок горловины камеры сгорания типа ЦНИДИ.

При анализе характера изменения температуры поршней с изменением нагрузки дизеля замечена большая чувствительность температурного состояния кромки горловины в поршне с камерой сгорания типа ЦНИДИ. Изменение среднего эффективного давления Р е от 0,9 МПа до 0,3 МПа сопровождается уменьшением температуры кромки горловины камеры сгорания типа ЦНИДИ на 120 ° С, а камеры сгорания типа ЯМЗ - на 110 ° С. Иное изменение температур наблюдается в других областях поршней. При аналогичном изменении нагрузки температура области верхнего компрессионного кольца снижается у поршня с камерами сгорания типа ЦНИДИ и ЯМЗ соответственно на 70 ° С и на 80 ° С. На днище камер сгорания типа ЦНИДИ и ЯМЗ температура в этих условиях снижается на 70 ° С и на 80 ° С. Чем дальше удалены характерные точки от огневой поверхности днища поршня, тем более чувствительно к нагрузке температурное состояние поршня с камерой сгорания типа ЯМЗ.

Использование вставки для интенсификация теплообмена на внутренней поверхности поршня в дизеле преобразованием формы и характера движения струи охлаждающего масла снижает температуры кромок горловины камер сгорания типа ЦНИДИ и ЯМЗ на A t 2_H = 20.. .25 ° С и температуры области верхнего компрессионного кольца - на A t 4_H = 15^18 ° С. Снижаются температуры и в других характерных точках исследуемых поршней. Однако на характер изменения температуры поршней в зависимости от нагрузки применение рассматриваемого способа охлаждения поршня практически не влияет.

Достигнутое повышение эффективности струйного масляного охлаждения поршня не решает радикально проблему тепловой нагруженности, в частности поршней с торообразной камерой сгорания типа ЦНИДИ, но может быть полезно для поршней с камерой сгорания типа ЯМЗ и ей подобными.

Современные требования к надежности дизелей с торообразной камерой сгорания типа ЦНИДИ заставляют изыскивать способы снижения тепловой нагруженности более высокой эффективности. Одним из таких способов является галерейное масляное охлаждение, реализующее концепцию локального охлаждения наиболее нагруженных в температурном отношении элементов, например острой кромки горловины камеры сгорания. Этот способ широко распространен за рубежом в дизелях повышенного форсирования.

C

Р , МПа е

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Р , МПа е^,

Рис. 3. Температуры поршней при Ре = 0,80 МПа и n = 1700 мин –1 и зависимость их от нагрузки при n = 1700 мин дизеля 8ЧН 15/16 с камерами сгорания: (а), (в) - ЦНИДИ; (б), (г) - ЯМЗ; - • - без вставки; - □ - со вставкой