ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ ГОЛОВКИ ЦИЛИНДРА

Как показали исследования последних лет, пределы и методы форсирования двигателя при сохранении его моторесурса определяются не столько механическими нагрузками, сколько тепловой напряженностью деталей, образующих рабочий объем цилиндра. Большинство работ в этой области посвящено исследованиям температурных полей поршня и цилнндра, т. е. деталей, теилонапряженность которых определяет степень надежности при желаемом сроке службы двигателя.

Снижение термических нагрузок в головке цилиндра является наиболее важной проблемой, возникающей при форсировании д. в. с, и особенно при форсировании двигателей с воздушным охлаждением.

Следовательно, одним из возможных путей повышения долговечности цилиндро-поршневой группы является снижение температурного уровня и перепадов температур до пределов, обеспечивающих длительную безаварийную работу двигателя.

В статье излагаются результаты экспериментальных исследовании на одноцилиндровой установке температурного состояния головки цилиндра двигателя с воздушным охлаждением. При проведении опытов на одноцилиндровой установке учитывалось влияние основных факторов, определяющих температуру деталей, как-то: .нагрузка, число оборотов двигателя.

Для выполнения поставленной задачи предусматривалось:

а) измерение температуры головки в различных точках в зависимости от изменения нагрузки;

б) определение наибольших перепадов температур в горизонтальном и вертикальном сечениях головки;

в) определение методом электротепловой аналогии изотерм в горизонтальной плоскости в наиболее нагретом (первом) сечении.

Термометрирование головки было произведено в пяти горизонтальных плоскостях с целью определения изменения температур как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

На рис. 1 представлен график изменения температур головки цилиндра, замеренных при снятии нагрузочной характеристики двигателя для номинального режима его работы.

Как видно из рисунка, увеличение среднего эффективного давления от 0 до 8 кг/см2 приводит к возрастаниютемпературы головки, что связано с увеличением цикловой подачи топлива.

Максимальная температура наблюдается на поверхности межклапанной перемычки. Так, например, температура перемычки на глубине 2 мм от огневой поверхности днища достигла значения 280°С, а па глубине 7,5 мм — 255°С. Минимальная температура в первом сечении наблюдалась в зоне впускного канала на .расстоянии 4 мм от огневой поверхности днища и составляла при Ре=8 кг/см2—123°С. Температуры точек, близлежащих к впускному каналу, изменяются практически по закону прямой. Пределы изменения температур в диапазоне нагрузки от 0 до 8 кг/см2 не превышали 70—50°С. Температуры точек (103, 102, 12, 23, 24) стенок, расположенных вблизи выпускного патрубка, изменяются более интенсивно. Пределы изменения температур для 12 и 102 точек составляют 85—95°С, для 23, 24 точек—120.

Наибольшее же изменение температуры в зависимости от нагрузки наблюдается на межклапанной перемычке. Это изменение достигает 164°С.

Обращает па себя внимание неравномерность распределения температур по днищу головки па номинальном режиме двигателя.

Если перепад температур по первому сечению между центром перемычки и наиболее нагретой периферийной точкой, расположенной в области выпускного патрубка, составляет 88°С, то перепад температур между перемычкой и самой холодной точкой, расположенной в области впускного патрубка, составляет 157°С. В первом случае перепад температур изменяется с ростом Ре прямолинейно, во втором случае изменение перепада более интенсивно. На рис. 2 показано температурное поле головки Для первого сечения.

Для получения температурного поля и направлений тепловых потоков был применен метод электротепловой аналогии . Из рисунка видно, что наибольший температурный градиент, а следовательно, и удельный тепловой поток наблюдается в периферийной зоне выпускного и впускного патрубков в направлении линии, проходящей через оси клапанов.

Тепловой поток в зоне выпускного патрубка в основном распространяется в радиальном направлении от оси клапана. В зоне перемычки тепловой поток меняет величину и направление. В зоне впускного патрубка тепловой поток имеет меньшую величину, характер изотерм симметричен относительно плоскости, проходящей через оси клапанов. Величина наибольшего удельного теплового потока составляет в зоне выпускного патрубка не выпускного канала. В области межклапанной перемычки величина теплового потока со стороны входа и выхода охлаждающего воздуха равна соответственно 0,2- 106 и 0,12- 106 ккал/м2 час °С.

Таким образом, величина теплового потока в области перемычки в 10 раз меньше, чем его величина в периферийных зонах патрубков. Так как тепловой поток характеризует меру интенсивности охлаждения, то можно заключить, что в периферийных зонах патрубков головки обеспечивается значительный отвод тепла от головки, а в области перемычки интенсивность теплоотвода во много раз меньше. Очевидно, это связано с тем, что скорость охлаждающего воздуха над перемычкой и под выпускным патрубком мала, перепад температур между перемычкой и областью под выпускным патрубком незначителен. Наиболее простой способ снижения температуры перемычки — уменьшение коэффициента теплоотдачи от газов к головке в выпускном патрубке. Для этой цели поверхность выпускного патрубка была покрыта окисью алюминия толщиной 0,4 мм.

При этом понизилось тепловое состояние головки в целом, а температура перемычки при Р с =8 кг/см2 и п=1700 об/мин уменьшилась на 15—20°С. Температуры близлежащих к выпускному патрубку зон при этом уменьшилась на 5—8°С, а температуры зон, прилегающих к выпускному патрубку, снизились на 15—16°С, т. е. при этом снизились и температурные перепады.

Проведенные исследования показали:

1) исследуемая головка цилиндра имеет большую температурную неравномерность по вертикальной и горизонтальной плоскостям;

2) в указанной головке имеют место значительные перепады температур в плоскости огневого днища и по высоте ее;

3) для понижения температуры головки цилиндра целесообразно применение теплоизоляции поверхностей выпускного патрубка окисью алюминия;

4) для дальнейшего снижения температуры и температурных перепадов по днищу головки целесообразно вести работы по выравниванию скоростей охлаждающего воздуха в сечениях каналов.