СНИЖЕНИЕ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТИ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ «Д-21А»

Форсирование двигателей ведет к росту их теплонапряженности. Особо уязвимыми при этом являются детали поршневых групп (прогары и трещины поршней, быстрый износ трущихся деталей, закоксовывание компрессионных колец и т.п.). В результате ресурс двигателя существенно сокращается. Поэтому выбор и исследование действенного метода снижения теплонапряженности поршневых групп ДВС, является весьма актуальной задачей.

Объект исследования – теплонапряженность поршня ДВС.

Предмет исследования – двигатель внутреннего сгорания «Д-21А», цилиндро-поршневая группа, поршень.

Цель работы – изучить метод снижения теплонапряженности поршневых групп  ДВС.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Теоретический анализ теплонапряженности ЦПГ;
2. Выбор и изменение конструкции поршня;
3. Моделирование процесса тепловой нагрузки поршня в САПР системе;
4. Проведение опытов по изменению теплонапряженности поршня.

В учебнике по теории двигателей интерпретация теплонапряженности написано: «Теплонапряженность деталей двигателя зависит от величины теплового потока через единицу площади поверхности или сечения детали, ее температуры, температурного градиента в стенках и температуры поверхностей трения.» [2, с. 275], поэтому можно понимать, что теплонапряженность детали напрямую зависит от теплопроводности и температуры поршня.

Рисунок 1. Поршень двигателя Д-21А.

а.-до модернизации; б.-модернизированный

Для уменьшения теплонапряженности поршня был выбран материал: керамика (Al₂О₃) и медь (Cu). Керамическое покрытие наносилось на головку поршня для того, чтобы температура меньше распространялась в деталь в ходе работы двигателя за счет меньшей теплопроводности. Медь наносилась на юбку поршня, тем самым юбка поршня отводила большую часть тепла от детали за счет большей теплопроводности, чем алюминий.

На рисунке 1 можно увидеть поршень до изменения и после модернизации.

Таблица 1

Коэффициент теплопроводности материалов

Далее было произведено моделирование процесса тепловой нагрузки поршня в САПР системе T-FLEX CAD 16.

При моделировании имитировался нагрев головки и остывание в течении 60 секунд, к головке поршня было подведена энергия в 3 кВт. Моделирование было произведено с обычным поршнем и поршнем модернизированным (Рисунок 2 и 3).

В результате моделирования, было выяснено, что модернизированный поршень быстрее рассеивает теплоту. Максимальные значения температуры поршней отличалась на 18 С, а минимальная на 21 С.

Рисунок 2. Поршень модернизированный

Рисунок 3. Поршень не модернизированный

Также был проведен эксперимент на поршнях. Эксперимент состоял в нагревании поршня в муфельной печи (Электропечь СНОЛ-1,6.2,5.1/11-И2М) до 270 С, затем измерялись температуры поршней после извлечения из печи и через 10 минут. Показания температуры поршня снимались пирометром (Портативный пирометр MiniTemp) в нескольких точках. Результаты эксперимента показаны на рисунках 4 и 5. В каждой точке измерения в модернизированном поршне наблюдалось существенное снижение температуры поверхности поршня по сравнению с обычным поршнем.

По итогам компьютерного моделирования и эксперимента выяснилось, что температура поршня при имитировании рабочего цикла двигателя снизилась. Из этих данных можно сделать ввод, что теплонапряженность поршня Д-21А снизилась, а значит желаемый эффект был достигнут.

Рисунок 4. Результат эксперимента модернизированного поршня

Рисунок 5. Результат эксперимента обычного поршня

Список литературы:

1. Ванштейдт В. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания / В. А. Ванштейдт. — Л.: Судостроение, 1977. — 392 c
2. ДВС: Теория поршневых и комбинированных двигателей: учебник втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин [др.]; под ред. А. С. Орлина, М. Г. Бруглова. — М.: Машиностроение, 1983. — 372 c.
3. Тузов Л. В., Брежнев B. И. Журнал университета водных коммуникаций // Журнал университета водных коммуникаций. – 2010. – №4. – С. 30–36.