Расчётно-экспериментальная методика косвенного измерения толщины слоя нагара на поверхностях камер сгорания тепловых двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский авиационный институт

РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА КОСВЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ НАГАРА НА ПОВЕРХНОСТЯХ КАМЕР СГОРАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Лобанов Игорь Евгеньевич

доктор технических наук

Аннотация

В статье в общем виде разработан расчётно-экспериментальный метод исследования косвенного измерения толщины слоя нагара на поверхностях камер сгорания тепловых двигателей. Метод имеет подтверждение существующим экспериментальным материалом.

Ключевые слова

нагар; толщина; слой; расчётный; экспериментальный; теоретический; измерение; камера сгорания; тепловой двигатель; теплообмен; поверхность

Методика косвенного измерения толщины слоя нагара на поверхностях камер сгорания быстроходных дизелей заключается в измерении локальных тепловых нагрузок на этих поверхностях при поршневом сжатии-расширении с помощью датчика теплового потока с дополнительной стенкой, как при наличии слоя нагара, так и без него при последующей обработке результатов этих измерений с помощью обратных и сопряженных методов теплопроводности.

Таким образом, методика косвенных измерений толщины слоя нагара сводится к измерению нестационарных локальных температур на соответствующих поверхностях при поршневом сжатии-расширении, что и будет преимущественно образом рассматриваться ниже.

Конструкция датчика было рассмотрено в [1], поэтому можно непосредственно перейти к методике измерения тепловых нагрузок с помощью вышеупомянутого датчика.

При установке датчика на объект исследования измеряется переменная и постоянная составляющие температуры на тепловоспринимающей поверхности константановой пластины и разность температур между тепловоспринимающей и теплоотдающей поверхностями этой пластины, что позволяет определить мгновенные значения температур на поверхностях константановой пластины с погрешностью измерения переменной составляющей этих температур [1].

Т.к. определение теплового потока основывается на решении обратной краевой задачи теплопроводности, измерения должны выполняться таким образом, чтобы обеспечить максимальную точность решения именно этой задачи.

Очевидно, что температуры на наружной поверхности теплометрического элемента Т1(t) и на поверхности, обращенной внутрь датчика Т2(t), близки между собой, т.к. расстояние между ними равно ?1 мм.

В методике измерения поверхностных температур принято во внимание, что при решении задач теплопроводности (прямых и обратных) температурное поле детали определяется с точностью до постоянной составляющей.

В связи с этим, в качестве постоянной составляющей можно принять ориентировочное значение осредненной температуры наружной поверхности теплометрического элемента [1]:

толщина нагар сгорание дизель

(1)

поэтому температура наружной поверхности может быть представлена, как

(2)

Teмпература внутренней поверхности теплометрического элемента может быть описана с помощью температуры наружной поверхности и разности температур:

(3)

Из выражений (2)--(3) следует, что в эксперименте могут быть измерены значения:

Первая величина необходима для определения постоянной составляющей температурного поля и используется для отыскания зависимых от температуры физических констант [1].

Остальные величины могут быть измерены с достаточно высокой точностью [1].

На основании вышесказанного решается обратная задача теплопроводности с целью определения мгновенных значений плотности теплового потока и температуры поверхности. При этом задача сводится к решению уравнений Вольтерры и рассчитывается с помощью специально разработанной программы [2].

Рассмотрим схему измерения этих трех величин, необходимых для определения плотности теплового потока.

Здесь достаточно рассмотреть схему подключения к измерительным приборам одного датчика (рис.1).

Рис. 1. Схема подключения датчика к измерительным приборам.

Источник Е1 соответствует датчику на наружной поверхности теплометрического элемента, а Е2 -- на поверхности, обращенной внутрь датчика. Усилитель канала К1 усиливает сигнал Е1 и осуществляет компенсацию постоянной составляющей с помощью регулируемого источника напряжения (РИН).

Усилитель канала К2 выполняет масштабное преобразование сигнала Е1, усилитель канала К3 формирует сигнал, пропорциональный разности сигналов Е1и Е2 .

Таким образом, рассмотрены все аспекты методики косвенного измерения толщины слоя нагара на поверхностях камер сгорания двигателей внутреннего сгорания.

Методика обработки результатов измерения заключается в том, чтобы детерминировать локальные нестационарные граничные условия -- локальные нестационарные температуру и плотность теплового потока на внешней поверхности датчика.

В данном случае необходим учет теплоизолирующего действия слоя нагара. Следовательно, обработка результатов измерения сводится к определению граничных условий на поверхности слоя нагара, которые являются частным случаем теплового состояния слоя, исследуемого в дальнейших исследованиях.

Основные выводы

Анализируя результаты измерения локальных нестационарных тепловых нагрузок на основные детали камер сгорания тепловых двигателей с помощью датчика теплового потока на основе дополнительной (вспомогательной) стенки после обработки результатов измерения можно сделать следующие основные выводы:

а) детерминированы граничные условия локального нестационарного теплообмена с учетом слоя нагара. Локальные нестационарные тепловые нагрузки определены по обеим граничным поверхностям слоя (как частные случаи нестационарного теплового поля слоя нагара).

б) по результатам измерений нестационарной температуры и плотности теплового потока при поршневом сжатии-расширении с нагаром и без него определена толщина слоя нагара.

в) разработанный метод позволяет надежно определить количественные (локальные нестационарные поля температур и плотностей тепловых потоков) и качественные показатели теплоизолирующего и блокирующего действия слоя нагара, в частности, подтверждена его высокая теплоизолирующая способность.

Библиографический список

1. Лобанов И.Е. Локальный радиационно-конвективный теплообмен в турбулентном пограничном слое в камерах сгорания быстроходных дизелей: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -- М., 1998. -- 173 с.

2. Страдомский М.В., Максимов Е.А. Оптимизация температурного состояния деталей дизельных двигателей. -- Киев: Наукова думка, 1987. -- 168 с.

3. Кавтарадзе Р.З., Лапушкин Н.А., Лобанов И.Е. Исследование теплоизолирующего действия слоя нагара на поверхностях КС дизеля с использованием обратных и сопряженных методов теплопроводности // Изв. вузов. Машиностроение. -- 1997. -- № 4--6. -- С. 70--76.

4. Бургграф О.Р. Точное решение обратной задачи в теории теплопроводности и ее приложениях. // Труды американского общества инженеров-механиков. Серия С, Теплопередача. -- 1964. -- № 3. -- С. 94--106.

5. Бек Дж., Блакуэлл Б., Сент-Клэр Ч., мл. Некорректные обратные задачи теплопроводности. -- М.: Мир, 1989. -- 312 с.

6. Нuber K. Der Wrmebergang schnellaufender direktein-spritzender Diesel-motoren: Dissertation. -- Mnchen: TU, 1990. -- 130 s.

7. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. -- М.: Мир, 1983. -- 512 с.

8. Макарчук А.А., Николаенко А.В. Результаты сравнительных ускоренных испытаний по влиянию сорта топлива на закоксовывание распылителей и деталей камеры сгорания высокооборотного дизеля // Двигателестроение. -- 1991. -- № 7. -- С. 52--54.

9. Папок К.К., Виппер А.Б. Нагары, лаковые отложения и осадки в автомобильных двигателях. -- М.: ГНТИМЛ, 1956. -- 156 с.

Размещено на Allbest.ru