Моделювання теплового стану циліндрової гільзи автотракторного дизеля

Abstract

Характерною особливістю циліндрових гільз сучасних автотракторних та інших типів ДВЗ, що підтверджуються численними моторними випробуваннями, є значний перепад температур по висоті робочої поверхні – дзеркала. В залежності від рівня форсування двигуна температури можуть змінюватися від 250–300 ℃ в верхній частині, до 80–90 ℃ в нижній, охолоджуваній рідинним охолоджувачем. З точки зору забезпечення оптимальних умов тертя, які визначаються і залежать від в’язкості моторного мастила при заданій робочій температурі дзеркала гільзи, такі температури як у верхній, так і у нижній частинах гільзи не є оптимальними. Погіршення умов тертя призводить до зростання механічних витрат, зниження ефективних показників двигуна в цілому. Як засвідчив проведений аналіз літературних джерел, поліпшенню ефективних показників, зменшенню механічних витрат по циліндро-поршневій групі сприятимуть заходи по вирівнюванню температур гільзи в зоні роботи компресійних кілець та наближенню значень температур до рівня 160–170 ℃. В представленому розрахунковому дослідженні, яке можна розглядати як проміжний етап робіт з доводки конструкції циліндрової гільзи з метою оптимізації температурного профілю робочої поверхні, розглядається вплив площі охолоджуваної зовнішньої поверхні гільзи. Аналізується варіант серійної гільзи дизеля 4ЧН12/14, виготовленої з чавуну СЧ21-40, та дослідний варіант за умови його виготовлення з алюмінієвого сплаву АЛ19 з корундованою робочою поверхнею. Як засвідчили раніше проведені розрахункові дослідження, конструктивні варіанти циліндрової гільзи з внесенням незначних змін в базовий варіант, при яких зберігаються основні геометричні розміри деталі, зокрема відстань між верхнім та нижнім посадковими поясами, не вирішують поставлену задачу оптимізації температурного профілю гільзи як для чавунних гільз, так і гільз з алюмінієвого сплаву. В проведеному дослідженні аналізуються варіанти, які передбачають внесення більш суттєвих змін як у конструкцію самої гільзи, так і в конструкцію блоку циліндрів, а саме у розміщення поясів ущільнення гільзи. Для розрахункового дослідження використовується скінченоелементна математична модель теплонапруженого стану гільзи, уточнена в ході моторних експериментів.A characteristic feature of the cylinder liners of modern automotive and other types of internal combustion engines, which is confirmed by numerous engine tests, is a significant temperature difference along the height of the working surface - mirrors. Depending on the level of engine boost, temperatures can vary from 250-300℃ in the upper part of the liner, near the combustion chamber, to 80-90 ℃ in the lower part, cooled by a liquid cooler (water or antifreeze). From the point of view of ensuring optimal friction conditions, which are largely determined and depend on the viscosity of the engine oil at a given working temperature of the liner mirror, such temperatures for both the upper and lower parts of the liner are not optimal. The deterioration of friction conditions leads to an increase in mechanical losses, a decrease in the effective performance of the engine as a whole. As shown by the analysis of literature, the improvement of effective indicators, the reduction of mechanical losses in the cylinder-piston group is facilitated by measures to equalize the temperature of the liner in the working area of the compression rings and to bring temperatures to the level of 160–170 ℃. In the presented calculation study, which can be considered as an intermediate stage of refining the design of the cylinder liner in order to optimize the temperature profile of the working surface, the influence of the area of the cooled outer liner surface is considered. An analysis is made of a variant of a serial diesel engine liner 4CHN12/14 made of cast iron SCH21-40, and an experimental version, provided that it is made of aluminum alloy AL19 with a corundum working surface. As shown by previous computational studies, the constructive options for a cylindrical sleeve with minor changes to the basic version, which preserve the basic geometric dimensions of the part, in particular the distance between the upper and lower seat faces, do not solve the task of optimizing the temperature profile of the sleeve as for cast-iron sleeves, and liners made of aluminum alloy. The study analyzes the options that provide for more significant changes both in the design of the liner itself and in the design of the cylinder block, namely in the placement of the liner seal belts. For computational research, we use a finite element mathematical model of the thermally stressed state of the liner, refined during engine experiments.