Улучшение температурного состояния поршня за счет интенсификации теплообмена между внутренним днищем и смазочным маслом

Наряду со снижением тепловых потерь в процессе сгорания большое влияние на тепловую нагруженность элементов двигателя оказывает их перераспределение между теплоотводящими системами, в частности, увеличение теплоотдачи в смазочное масло. Последнее наблюдается с системах принудительного охлаждения. Эффективность принудительного охлаждения таких элементов двигателя как поршень и головка цилиндра очень высока при достижении оптимальных конструктивных решений и параметров.

Решение проблемы тепловой нагруженности элементов двигателя при повышении удельной мощности следует искать в реализации комплекса мероприятий по обеспечению надлежащих интенсивности выгорания топлива и тепловых потерь в процессе сгорания, рационального перераспределения тепловых потерь между теплоотводящими системами и совершенствовании конструкции теплонагруженных элементов.

Сгорание топлива рассматривается как совокупность физико-химических явлений, характеризующаяся интенсивным выделением теплоты и световым излучением. Температура рабочего тела достигает максимальных значений в процессе сгорания и изменяется при переменном объеме цилиндра в зависимости от продолжительности и характера выгорания топлива. Разность температур рабочего тела и поверхностей внутрицилиндрового пространства обуславливает возникновение теплового потока-теплообмена. Особенности теплообмена между рабочим телом и окружающими поверхностями состоит в том, что потери тепла, с одной стороны, определяют эффективность теплоиспользования в цикле, а с другой стороны, поступая к деталям двигателя, повышают их тепловую нагруженность. Высокие тепловые потери в цикле обуславливают двойной ущерб: снижение мощностных и экономических показателей и повышение тепловой нагру-женности, требующие затрат энергии на функционирование систем охлаждения. Наибольшие тепловые потери имеют место в процессе сгорания топлива.

Повышение удельной мощности современных бензиновых двигателей требуют существенного увеличение эффективности способов принудительного охлаждения. Одним из наиболее рас-

Краткие сообщения

пространенным способов принудительного охлаждения является струйное охлаждение смазочным маслом его внутреннего днища. В бензиновом двигателе ВАЗ-2112 во 2, 3, 4 и 5-й опорах коренных подшипников выполнены дополнительны е каналы для масла, в которые запрессованы специальные масляные форсунки. Во время работы д вигателя через эти масляные фор с унки масло под давлением омывает днища поршней. Это значительно снижает термическую деформацию поршней и улучшает их смазку, особенно в момен т запуска двигателя. Однако эффективность такого способа зависит от полноты использования охлаждающего масла для теплообмена с поверхностью внутреннего днища поршня. Свободная струя охлаждающего масла, ударяясь о поверхность внутреннего днища, в значительной степе н и отражается и не уча с твует в пр о цессе теплообмена. Неорганизованное движение оставшейся части охлаждающего масла сопровождается неравномерным ее распределением по поверхности внутреннего днища и, как следствие, снижением эффективности охлаждения.

Повышение эффективности струйного охлаждения поршня можно обеспечить снижением потерь охлаждающего масла, участвующего в проц е ссе теплообмена, и равномерным распределением его по внутреннему днищу с целью увеличения омываемой поверх н ости [1] (рис. 1). Для этого под внутренним днищем 2 устанавливается вставка 1, повторяющая форму дни щ а 2 и стенок 3 и образующая с днищем 2 полость охлаждения 4, сечение которой выполнено постоянным по длине вставки и равным 1/2 внутреннего диаметра неподвижного сопла 5. Концы 6 вставки отогнуты в сторону сопла, образуя со стенками поршня входной (подводя щ ий) 7 конфузорный и выходной (отводящий) диффузорный каналы. Ограничение высоты сечения полости охлаждения вызвано также необходимостью обеспечения максимально возможного, при заданно м давлении масла, его расхода через полость охлаждения. Уменьшение высоты сопровождается увеличением гидравлического сопротивления за счет роста профильных потерь трения, а чрезмерное увеличение помимо снижения омываемой поверхности вызывает дополнительное сопротивление за счет необходимости преодоления потоком масла его част и ц, совершающих возвратно-поступательное движение под действием инерционных сил, вызв а нных перемещением поршня. При работе поршня масло из сопла 5 через подводящий канал 7, отражаясь от вставки 1 и стенок 6, направляется в рабочую зону полости охлаждения 4, откуд а через отводящий канал сливается в картер двигателя.

Рис. 1. Поршень повышенной эффективности струйного охлаждения

Эффективность снижения тепловой нагруженности поршня со вставкой проверялась экспериментально на дизеле 1ЧН 15/16 при работе его с д в умя типами камер сгорания по н а грузочной характеристике при частоте вращения коленчатого вала 1700 мин^–1 [2]. Результаты испытаний показали, что использование вставки снижает (за счет организации движения масла в полости)

Новицкий К.В.

Улучшение температурного состояния поршня за счет интенсификации теплообмена… температуру кромки горловины камер сгорания ЦНИДИ и открытой камеры соответственно на 20–25 °С и температуры в области верхнего компрессионного кольца на 16–17 °С.

Эффективность снижения тепловой на-груженности поршня со вставкой проверялась расчетным путем на бензиновом двигателе ВАЗ-2112 по нагрузочной характеристике при частоте вращения коленчатого вала 5000 мин–1 (рис. 2). Результаты расчета показали, что использование вставки снижает температуру под верхней частью днища поршня на 17–20 °С и температуру в области верхнего компрессионного кольца на 10–12 °С. Снижаются температуры и в других характерных точках исследуемых поршней. Применение вставки с принудительным охлаждением струйным маслом из неподвижной форсунки дополняет систему охлаждения внутреннего днища, что способствует улучшению температурного состоянию поршня, снижая его температуру на 12–20 °С.

Рис. 2. Тепловое состояние поршня: верхняя линия – струйное охлаждение поршня, нижняя линия – струйное охлаждение поршня со вставкой