Поліпшення теплонапруженого стану головок циліндрів форсованих дизелів шляхом локального охолодження (стр. 2 из 5)
Апробація результатів дисертації
Результати дисертаційного дослідження доповідалися на XIII та ХV: Міжнародних науково-технічних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я (Харків, 2005 р., 2007 р.). Щорічно тези окремих положень дисертації було представлено на Міжнародному конгресі двигунобудівників (Крим – Рибаче - Україна, 2004 - 2007 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 робіт, з них 12 статей у фахових виданнях ВАК України та 4 патенти України.
Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, 2 додатків. Повний обсяг дисертації складає 239 сторінки; з них 25 ілюстрації за текстом; 65 ілюстрацій на 65 сторінках; 17 таблиць на 16 сторінках; 2 додатки на 22 сторінках; 79 найменувань використаних літературних джерел на 9 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації з урахуванням тенденцій розвитку двигунобудування, зокрема використання технології автоматизованого проектування ДВЗ. Актуальність полягає в уточненні умов протікання теплообмінних процесів в парі стрижень клапана - направляюча втулка, в зоні міжклапанної перетинки головки циліндрів, у визначенні впливу на ці процеси локального охолодження.
У першому розділі визначено комплекс розрахункових моделей теплонапруженого та деформованого стану побудованих на основі методу скінчених елементів (МСЕ), який є найбільш розповсюдженим методом аналізу ТНС деталей ДВЗ. Розрахунковий аналіз проводиться з використанням програмного комплексу ANSYS.В розділі наводиться характеристика МСЕ та основні рівняння розрахункових моделей. Для розрахунку температурного поля головки циліндрів та клапанного вузла використовується рівняння стаціонарної теплопровідності у вигляді:
, (1) 
, (2) 
, (3) 
, (4)де t- температура;
- внутрішнє джерело теплоти; 
- внутрішнє джерело теплоти, пропорційне температурі; 
- коефіцієнт тепловіддачі на поверхні S; 
- температура середовища; 
, 
, 
- коефіцієнти теплопровідності в напрямку вісей анізотропії, для випадку ізотропії 
; 
, 
, 
- направляючі косинуси зовнішньої нормалі; q - тепловий потік на межі Sq.Граничні умови (4) відповідають теплообміну з зовнішнім середовищем по закону Ньютона.
Для випадку граничних умов 3-го роду та відсутності внутрішніх джерел теплоти рішення знаходимо шляхом мінімізації відповідного функціоналу:
(5)На сьогоднішній день основні труднощі з використанням математичних моделей теплового стану деталей головки циліндрів та клапанного вузла для практичних цілей полягають у складності визначення граничних умов 3-го роду
і 
. Процес уточнення потребує проведення комплексу взаємопов’язаних розрахунково-експериментальних досліджень. Складність поставленої задачі полягає також і у відсутності інформації в літературних джерелах про характер протікання реальних теплообмінних процесів в парі стрижень клапана – направляюча втулка, зоні міжклапанної перетинки, про вплив локального охолодження на ці процеси.При рахунковому аналізі теплонапруженого та деформованого стану головки циліндрів та клапанного вузла розглядаються тільки ізотропні матеріали. Розрахунок напружено - деформованого стану клапанного вузла та головки циліндрів виконується за допомогою залежностей (6 - 8):
, (6)де - вектор напруження;
- вектор деформацій; D - матриця жорсткості.
(7) 
(8)де x, y, z- деформації в напрямку осей x, y, z; x,y,z - напруження в напрямку осей x, y, z; xy- деформації зсуву в площині xy; xy- напруження зсуву в площині xy; Gxy, Gyz, Gxz- модулі зсуву відповідно в площинах xy, yz, xz, при цьому
- коефіцієнти лінійного розширення для ізотропного матеріалу.Зазначимо, що модель ТНС клапанного вузла створюється саме як вузлова, тобто розглядається взаємодія клапана, сідла клапана та направляючої втулки. Не зважаючи на більшу складність такої побудови, необхідність проведення додаткових експериментальних досліджень для визначення характеру теплової та механічної взаємодії деталей в парі стрижень клапана - направляюча втулка, вузлова модель значно підвищує точність розрахунків, про що свідчить, наприклад, проведений аналіз публікацій.
Вузлова модель передбачає уточнення ГУ задачі теплопровідності для серійної та охолоджуваної конструкції клапанного вузла. Ці конструктивні варіанти відрізняються кількістю відповідних ділянок поверхні теплообміну, на яких уточнюються значення ГУ.
На основі проведеного аналізу та розрахунків обґрунтовано вибір кількості таких ділянок. Так для серійної конструкції клапанного вузла автотракторного дизеля 4ЧН 12/14 кількість ділянок становить 31, а для охолоджуваної конструкції - 37. Для серійної конструкції клапанного вузла тепловозного дизеля 16ЧН 26/27 кількість становить 33, а охолоджуваної - 39.
Розроблена вузлова модель ТНС клапанного вузла може бути використана, як при удосконаленні існуючих конструкцій, так і при розробці нових перспективних варіантів.
У другому розділі розглядається експериментально-розрахункове дослідження теплового стану деталей клапанного вузла на моторному стенді з автотракторним дизелем 4ЧН 12/14. Дослідження проведено для уточнення ГУ задачі теплопровідності при моделюванні ТНС клапанного вузла шляхом вирішення зворотної задачі теплопровідності, ідентифікації моделі, яка включала, по-перше, визначення теплового стану деталей клапанного вузла шляхом термометрії та, по-друге, визначення характеру радіальних та вертикальних переміщень клапана в направляючій втулці в залежності від режимів навантаження.
Термометрія випускних клапанів та направляючих втулок була виконана при роботі дизеля по навантажувальній характеристиці на 6 режимах, починаючи від режиму холостого ходу до режиму максимального крутного моменту при n = 1600 хв-1 (Ne= 0; 9,92; 19,84; 39,68; 59,52; 79,36кВт).
В експерименті було оцінено вплив локального повітряного охолодження випускного клапана та направляючої втулки на тепловий стан клапанного вузла, визначено додаткові енергетичні витрати двигуна.
В експерименті за допомогою хромель-алюмелевих термопар визначалась одночасно температура випускного клапана та направляючої втулки для 3-го та 4-го циліндрів (чотири термопари по клапану та три термопари по направляючій втулці). Клапанний вузол 4-го циліндра охолоджувався, був основним в проведеному дослідженні, а клапанний вузол 3-го циліндра - контрольним, серійним.
Сигнали від термопар оброблялись за допомогою цифрового вольтметру А565. Для передачі сигналу, що передавався за допомогою переривчастого струмознімача в електричне коло було паралельно включено конденсатор, ємність якого попередньо розраховувалась. В експериментальному дослідженні для передачі сигналів від термопар, розташованих в випускних клапанах 3-го та 4-го циліндрів, використовувався переривчастий струмознімач, показаний на рис. 1.
Для експериментального дослідження впливу локального повітряного охолодження на тепловий стан клапанного вузла було модернізовано серійну головку циліндрів дизеля 4 ЧН12/14. Для підводу стисненого повітря до випускного клапана та направляючої 4-го циліндру внесені такі конструктивні зміни: була знята технологічна заглушка в тілі головки та дооброблені направляюча втулка та випускний клапан.