ВВЕДЕНИЕ. РОЛЬ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ДВС

 

Теория теплообмена (теплопередачи) – научная дисциплина, занимающаяся изучением распространения теплоты в пространстве, занятом сплошной средой как в стационарных, так и нестационарных условиях.

Теплообмен в ДВС, особенно бурно развивавшийся в последние десятилетия, на данный момент представляет собой отдельную науку. Это обусловлено внедрением в технику высокофорсированных рабочих процессов поршневых машин, что, в свою очередь, поставило перед конструкторами ряд проблем, связанных с прогнозированием уровня теплонапряженности деталей двигателя.

В основе учения о теплообмене лежат работы Ньютона, Фурье, Планка, Прандтля, Польгаузена, Нуссельта, Шлихтинга, Лойцянского и многих других известнейших ученых прошлого и современности.

В Советском Союзе и России развитием теории теплообмена занимались такие ученые как М. В. Кирпичев, М. А. Михеев, А. А. Гухман, С. С. Кутателадзе, А. В. Лыков, А. И. Леонтьев и др.

Весомый вклад в развитие науки о теплообмене в ДВС внесли научные школы Н. Х. Дьяченко и Р. М. Петриченко (ЛПИ–СПбГПУ), М. Г. Круглова, Н. А. Иващенко, В. И. Ивина, Н. Д. Чайнова (МВТУ–МГТУ), А. Ф. Шеховцова (ХПИ), Г. Б. Розенблита (ЦНИДИ) и многие другие.

В связи с тем, что двигатель является тепловой машиной, процессы теплопередачи в нем играют важную роль.

Как следует из курса “Теория ДВС”, одно из основных отличий реального цикла ДВС от цикла идеального заключается в наличии в первом из них интенсивного теплообмена между рабочим телом и стенками камеры сгорания, причем результирующий тепловой поток направлен от рабочего тела к его окружению.

Запишем в общем виде первое начало термодинамики для разомкнутой системы:

(1)

Раскрыв первое слагаемое, перепишем (1) в виде:

(2)

т. е. подведенное к рабочему телу тепло при сгорании топлива и привнесенное в объем потоком массы идет на изменение внутренней энергии рабочего тела, механическую работу и потери тепла в стенки, окружающие рабочий объем.

Количество теплоты, отданное в стенки камеры сгорания обычно составляет около 5…15 % от подведенного в цикле тепла, чего более чем достаточно для того, чтобы ДВС был весьма теплонапряженной машиной, а процессы теплопередачи в нем играли весомую роль в топливной экономичности.

В зависимости от типа двигателя, примененной в нем камеры сгорания и режима работы доля отданной в стенки теплоты весьма различна. В общем случае, чем сложнее конфигурация камеры сгорания, выше скорость вращения коленчатого вала двигателя и мощностной режим (или уровень форсировеки двигателя по P_e и коэффициенту избытка воздуха a) тем выше уровень теплоотдачи к стенкам КС.

Распишем составляющую:

(3)

Здесь: Q_к – конвективная составляющая теплового потока; Q_л – лучистая составляющая теплового потока;– коэффициент теплоотдачи; – текущая площадь поверхности; – мгновенная температура рабочего тела в цилиндре; – мгновенная средняя по площади камеры сгорания (КС) температура окружающих ее стенок; – мгновенная температура пламени; t – время; – мгновенный температурный напор; s₀ – излучательная способность АЧТ; e_п и e_w – степени черноты пламени и стенки соответственно.

В задачу представляемой дисциплины входит определение мгновенных локальных коэффициентов теплоотдачи и тепловых потоков , как с точки зрения рабочих процессов и теплового баланса, так и с точки зрения теплового нагружения деталей двигателя. Для расчета теплообменных аппаратов достаточно определения теплобалансовых составляющих теплоты, отводимой от двигателя. Для решения задач тепловой напряженности деталей ДВС необходимо знать параметры локальной тепловой нагрузки, что значительно сложнее. Обычно решение таких задач разбивается на несколько этапов, или отдельных подзадач. Из них следует выделить следующие: термодинамическую задачу, скоростную (или гидрогазодинамическую), теплообменную, температурную, и только затем возможно решение собственно задачи тепловой напряженности деталей ДВС.

Следует заметить, что основным источником тепловых нагрузок в двигателе является рабочий процесс, протекающий в цилиндре. Тем не менее, кроме основного, может присутствовать и масса других источников тепла, связанных с диссипацией энергии в узлах трения ДВС.

В результате теплопередачи происходит сильный и неравномерный нагрев деталей цилиндро-поршневой группы. Уровень температур поршней, выпускных клапанов, крышек цилиндров, вставок вихревых камер, седел клапанов и других деталей может достигать величин, предельных с точки зрения механических свойств конструкционных материалов. Температуры поршней, распылителей форсунок, гильз цилиндров достигают пределов, допустимых с точки зрения применяемых сортов масел и топлива. В деталях ДВС возникают, наконец, значительные тепловые напряжения, которые по своей величине зачастую превосходят напряжения от сил инерции и давления газов. В отдельных случаях возникают недопустимые перегревы деталей ЦПГ, которые приводят к авариям: прогарам днищ поршней, растрескиванию стенок камеры сгорания, расположенной в поршне, закоксовыванию и залеганию поршневых колец, задирам поршней, растрескиванию головок (крышек) цилиндров, нагарообразованию на отверстиях распылителей форсунок и пр. В связи с этим ограничиваются возможности форсирования ДВС, снижается их надежность.

Особую роль играют процессы теплопередачи в перспективных ДВС, форсируемых как по оборотам, так и по среднему эффективному давлению. В обоих случаях это приводит к росту тепловых потоков в стенки КС: в первом случае – за счет скоростного фактора; во втором – за счет большей массы сжигаемого топлива и плотности заряда.

Теплоотдача влияет на экономичность рабочего процесса (в частности, на индикаторный КПД), поскольку КПД двигателя зависит от потерь тепла в систему охлаждения, диссипации энергии в узлах трения и затрат мощности на привод водяных и масляных насосов, вентиляторов и прочих вспомогательных механизмов и устройств.

Наконец, теплопередача влияет на эксплуатационную работоспособность деталей, ограничивающих КС и моторесурс двигателя в целом. Это связано с тем, что уровень температур в характерных зонах основных деталей во многом определяет характер их износа, интенсивность процессов старения масла, высокотемпературной газовой коррозии, образования отложений и пр. Поэтому для нормальной эксплуатации ДВС требуются специальные меры по обеспечению оптимального теплового режима основных деталей двигателя.

Подводя черту можно сказать, что теплообмен влияет на все основные технико-экономические показатели ДВС – экономичность, надежность и ресурс.

В настоящее время состояние разработок в области теплообмена, а также необходимость достоверного учета явлений теплопередачи позволяют выделить науку о теплообмене в ДВС в отдельную дисциплину, которая, в частности, базируется на материалах курсов “Теория ДВС”, “Гидро- и газодинамика”, “Теория тепло- и массообмена”.