Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The article describes the characteristics of thermal loading of the cylinder covers of transport diesel engines during their conversion to marine diesels. The engines of the CHN14/14 type produced by the Yaroslavl Motor Plant are proposed as promising for use in marine power plants. A special feature of the engine design is the individual four-valve cylinder heads, which have a complex geometric shape. The conversion of automobile engines, the cylinder heads of which were made of aluminum alloys, to marine ones is accompanied by an increase in the degree of their acceleration. The cylinder heads in operation experience significant thermal and mechanical loads, which causes the need for increased requirements for the materials of the cylinder heads. The rational choice of the cylinder head material is one of the most important tasks to be solved when upgrading and boosting engines. Experience in the operation of marine diesel engines shows that in order to ensure the required reliability under prolonged exposure to elevated temperatures due to forcing, it is necessary to choose cast iron as a structural material. A three-dimensional model of the cylinder head is developed. When performing the calculations, the boundary conditions are justified, taking into account the local nature of the distribution of thermal and mechanical effects on the diesel cylinder head. As a result of numerical modeling, the stress-strain states of cylinder heads made of high-strength cast iron, ductile iron and cast iron with vermicular graphite are determined and analyzed. There has been proved the preference for using cast irons with vermicular graphite, which have satisfactory casting and physical and mechanical properties. The advantages of using cast iron with vermicular graphite include a decrease in the temperature of the cylinder head in the area of the inter-valve bridge. The possibility of increasing the engine power from 330 to 560 kW when replacing aluminum alloys with cast iron with vermicular graphite for the manufacture of cylinder heads is proved.
cylinder, boundary conditions, similarity equations, heat transfer coefficient, temperature field, equivalent stresses, deformations
Введение
В настоящее время является востребованным и широко практикуется конвертирование в судовые (главные и вспомогательные) двигатели освоенных в серийном производстве и хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации тяжелых автомобильных дизелей (например, типа ЧН14/14). Актуальность подобных мероприятий обусловливается также и необходимостью решения задачи импортозамещения: в России функционируют около десяти предприятий [1], продукция которых потенциально способна покрывать весь диапазон мощностей главных и вспомогательных судовых дизелей. В работе [1] выдвинут тезис о необходимости выпуска двигателей широкого назначения, имеющих как судовые, так и несудовые модификации. В связи со спецификой работы судового дизеля в конструкцию конвертируемого двигателя должны быть внесены изменения: настройка системы наддува, установка контура охлаждения забортной водой, обеспечение длительной прочности теплонапряженных корпусных деталей при увеличении среднего эффективного давления и др. [2, 3]. В последнем случае их температуры могут достигать значений, при которых начинают ухудшаться механические свойства конструкционных материалов. Тепловые (главным образом) нагрузки ограничивают ресурс двигателя, а неравномерность температурного поля в совокупности с высокими значениями температур и малоцикловым характером теплового нагружения приводит к появлению термических разрушений [4, 5]. С целью предотвращения такого рода разрушений модернизируются методы исследования процессов теплообмена в двигателях внутреннего сгорания [6, 7], оценки теплонапряженного состояния деталей цилиндропоршневой группы [8, 9], рассматриваются возможности использования материалов, обладающих повышенными прочностными свойствами [10], и применения теплозащитных покрытий [11, 12].
В целях обеспечения длительной прочности головок цилиндров весьма вероятно их выполнение из чугуна вместо алюминиевых сплавов. При этом необходимо обоснование марки чугуна с учетом его литейных, теплофизических и других свойств. Применение чугуна может способствовать повышению уровня форсирования двигателя и, таким образом, расширению области его применения в наземных транспортных и стационарных установках.
Цель настоящей работы – оценка теплового и напряженно-деформированного состояния литой чугунной крышки цилиндров двигателя, конвертируемого в судовой, при его одновременном форсировании; обоснование марки чугуна.
Методы и материалы исследования
Поставленную задачу решали применительно к крышкам цилиндров автомобильных дизелей типа ЧН14/14 (Ne = 330 кВт при 1 900 1/мин), поскольку имеется опыт удачных попыток их конвертирования в судовые [13] и сохраняются перспективы расширения использования модернизированных автомобильных и тракторных двигателей в составе судовых энергетических установок [14, 15]. Одновременно решали задачу возможности форсирования двигателя до Ne = 560 кВт за счет повышения давления наддува.
Трехмерная модель крышки цилиндра приведена на рис. 1.
Рис. 1. Трехмерная модель крышки цилиндра дизеля 8ЧН14/14
При расчетах температурных полей сложность представляет определение граничных условий (в нашем случае III рода) теплообмена на поверхности огневого днища, обращенной к цилиндру, и в полостях системы охлаждения. Известно, что в обоих случаях имеет место локальный характер распределения значений коэффициента конвективной теплоотдачи и температур рабочего тела или охлаждающей жидкости [16].
Поскольку значения коэффициентов теплоотдачи на омываемой продуктами сгорания поверхности огневого днища распределены неравномерно, произведен расчет их локальных значений. Функция f(r) распределения локальных значений коэффициента теплоотдачи по радиусу огневого днища описана уравнением Вошни:
где r – текущее значение расстояния от центра крышки; R – радиус днища крышки; коэффициенты А и В определяются по полуэмпирическим зависимостям [17].
Локальные значения коэффициента a теплоотдачи определяются по формуле
где ͞α – осредненное за время рабочего цикла значение коэффициента теплоотдачи.
С учетом принятых значений (A = 0,5; B = 0,5; t = 1,5; p = 1,50) и средней величины коэффициента теплоотдачи, равной 1 017 Bт/(м2·К) (определена при расчете рабочего цикла дизеля в среде приложения Diesel-RK), получено распределение коэффициента теплоотдачи по радиусу днища крышки (рис. 2).
|
α, Вт/(м2·К) |
|
1 300
1 200
1 100
1 000
900
800
700
600 |
Рис. 2. Локальные значения коэффициента теплоотдачи
от продуктов сгорания к днищу крышки
В целях определения граничных условий со стороны полости охлаждения крышки использованы полученные экспериментально зависимости для локальной теплоотдачи с их последующей математической обработкой методами теории подобия. Для охлаждаемых внутренних полостей головок структура уравнения подобия для режима вынужденной конвекции имеет вид [5]:
где Nu – число Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи); Re – критерий Рейнольдса, зависящий от режима течения жидкости; Pr – критерий Прандтля, характеризующий соотношение вязкостных и инерционных тепловых свойств среды; х – расстояние от входного сечения канала; d – характерный геометрический размер системы (эквивалентный диаметр проходного сечения канала).
В нашем случае для расчета локальной теплоотдачи на охлаждаемой поверхности, в том числе и с механически обработанными каналами в межклапанных перемычках (рис. 3), использованы следующие уравнения подобия [18, 19] при угловом и осевом входе в канал охлаждающей жидкости соответственно:
где m = 0,53 (x / d)0,165 – степень влияния скорости потока, зависящая от расстояния от входного сечения канала или полости.
Рис. 3. Полость охлаждения крышки цилиндров
Коэффициент теплоотдачи α определяется из числа Нуссельта по выражению α = Nu · λf / d, где λf – коэффициент теплопроводности жидкости.
При принятых значениях средней температуры охлаждающей жидкости (80 °С), ее коэффициента теплопроводности (0,675 Вт/м·К), коэффициента кинематической вязкости (0,365 · 10–6 м2/с), числа Прандтля (2,21) рассчитаны величины коэффициентов теплоотдачи; на поверхностях внутренней полости охлаждения крышки выделены участки поверхностей, в пределах которых значения этих коэффициентов считались условно одинаковыми (рис. 4, табл. 1).
Рис. 4. Распределение значений коэффициента теплоотдачи
на участках полости охлаждения крышки (1–4)
Таблица 1
Граничные условия в полости охлаждения
|
Участок (см. рис. 4) |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2·К) |
22 |
15,5 |
12 |
6 |
|
Температура среды, К |
353 |
353 |
353 |
353 |
Построение сетки конечных элементов производилось с учетом рекомендаций [20]. При расчете предполагалось, что крышка цилиндра выполнена из высокопрочного чугуна (ВЧ), ковкого чугуна (КЧ) или чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ), физико-механические свойства которых приведены в табл. 2.
Таблица 2
Механические и теплофизические свойства чугунов
|
Параметры |
ВЧ |
КЧ |
ЧВГ |
|
Модуль упругости, МПа |
1,7·105 |
1,65·105 |
1,71·105 |
|
Коэффициент Пуассона |
0,275 |
0,260 |
0,275 |
|
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) |
35,9 |
37,2 |
45 |
|
Плотность, кг/м3 |
7 130 |
7 300 |
7 370 |
|
Коэффициент линейного расширения, 1/°С |
1,12·10–5 |
1,30·10–5 |
1,12·10–5 |
Результаты исследования
В ходе расчетов определяли поля температур и эквивалентные напряжения и деформации, обусловленные неравномерным температурным полем и закреплениями, а также газовыми силами для двух нагрузочных режимов работы: Ne = 330 кВт, pz = 16 МПа и Ne = 560 кВт, pz = 19 МПа. Некоторые из результатов представлены на рис. 5–7.
Рис. 5. Поле температур, °С, крышки дизеля 8ЧН14/14 (Ne = 330 кВт, n = 1 900 1/мин, КЧ)
Рис. 6. Поле эквивалентных напряжений, МПа, крышки дизеля 8ЧН14/14
(Ne = 330 кВт, n = 1 900 1/мин, ВЧ)
Рис. 7. Поле суммарных перемещений, мм, точек огневого днища крышки дизеля 8ЧН14/14
(Ne = 330 кВт, n = 1 900 1/мин, ВЧ)
Обращают на себя внимание значительные величины суммарных перемещений точек на поверхности днища крышки, обусловленных неравномерным температурным полем (рис. 7). Не исключено, что возникнет необходимость дополнительной механической обработки днища в области перемычек во избежание соударения с поршнем при нахождении последнего в области верхней мертвой точки.
Результаты расчетов подтверждают, что при одинаковой тепловой нагрузке максимальные температуры межклапанных перемычек крышки из ЧВГ существенно ниже, чем из КЧ и ВЧ, вследствие более высоких значений коэффициента теплопроводности. Пропорционально возрастают также максимальные напряжения и деформации (табл. 3).
Таблица 3
Результаты численного эксперимента
|
Результат |
Ne = 330 кВт |
Ne = 560 кВт |
||||
|
ВЧ |
КЧ |
ЧВГ |
ВЧ |
КЧ |
ЧВГ |
|
|
Максимальная температура в межклапанных перемычках Т, °С |
424 |
420 |
393 |
524 |
519 |
491 |
|
Максимальное эквивалентное напряжение σt, МПа |
1 152 |
1 148 |
1 067 |
1 271 |
1 480 |
1 231 |
|
Деформация вследствие неравномерности температурного поля ut, мм |
0,095 |
0,106 |
0,087 |
0,121 |
0,134 |
0,112 |
|
Максимальное эквивалентное напряжение при совместном |
1 146 |
1 250 |
1 061 |
1 467 |
1 002 |
1 172 |
|
Деформация вследствие неравномерности температурного поля при совместном действии температурного поля и газовых сил utр, мм |
0,076 |
0,071 |
0,090 |
0,100 |
0,101 |
0,086 |
Таким образом, при конвертировании тяжелых автомобильных дизелей в судовые для головок цилиндров предпочтительнее использовать ЧВГ. При значительном уровне форсирования двигателя потребуется обеспечение прочности крышки за счет соответствующих термообработок или нанесения теплозащитных покрытий.
Заключение
Конвертирование автомобильных дизельных двигателей в судовые сопровождается повышением уровня их форсированности с неизбежным возрастанием тепловых и механических нагрузок на детали цилиндропоршневой группы.
Рациональный выбор материалов деталей цилиндропоршневой группы, и прежде всего головки цилиндров, – важнейшая задача обеспечения надежности дизельных двигателей. Для осуществления такого выбора необходима оценка теплонапряженного состояния деталей. В проведенных исследованиях для такой оценки использовались методы численного моделирования.
В результате проведенного исследования на основании выполненных расчетов установлено, что при конвертировании тяжелых автомобильных дизелей в судовые для головок цилиндров предпочтительнее использовать ЧВГ. При значительном уровне форсирования двигателя потребуется обеспечение прочности крышки за счет соответствующих термообработок или нанесения теплозащитных покрытий.
1. Beziukov O. K., Zhukov V. A. Sostoianie i perspektivy sudovogo dvigatelestroeniia v Rossii [State and prospects of ship engine building in Russia]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2017, no. 2, pp. 40-53.
2. Kurin M. S. Konvertatsiia avtotraktornykh DVS v sudovye modernizatsiei ikh sistemy gazoturbinnogo nadduva: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk [Conversion of autotractor internal combustion engines into marine engines by modernizing their gas turbine pressurization system: diss. abstr. ... cand. tech. sci.]. Saint-Petersburg, 2006. 22 p.
3. Zhukov V. A., Ratnov A. E. Modernizatsiia sistemy okhlazhdeniia dizelia 8ChN14/14 dlia ego ispol'zovaniia v sostave sudovoi energeticheskoi ustanovki [Modernization of 8ChN14 / 14 diesel cooling system for using as part of ship power plant]. Dvigateli vnutrennego sgoraniia, 2012, no. 2, pp. 59-64.
4. Chainov N. D., Stankevich I. V., Isaev E. V., Mil'shtein L. G. Analiz teplovogo sostoianiia blochnykh golovok tsilindrov [Analysis of thermal state of block cylinder heads]. Dvigatelestroenie, 1985, no. 5, pp. 7-9, 19.
5. Novennikov A. L. Teoreticheskie aspekty, metody i puti uluchsheniia teplovogo sostoianiia okhlazhdaemykh detalei porshnevykh dvigatelei: avtoref. dis. … d-ra tekhn. nauk [Theoretical aspects, methods and ways of improving thermal state of cooled parts of piston engines: diss. abstr. ... doct. tech. sci.]. Moscow, 1993. 32 p.
6. Zhukov V. A., Zhelezniak A. A., Bezmennikova L. N., Erofeev V. L. Diagnosis of Thermal Processes in Motors of the Electrical Objects. Journal of Physics: Conference Series, 2017, no. 803 (1), pp. 012184.
7. Zhukov V. A., Sherban S. A., Melnik O. V., Sokolov S. S., Kolesnichenko S. V. Improvement of Methods and Means of Thermal Control of Ship Power Plants. 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2019 (Saint-Petersburg, Moscow, 28-30 January 2019). Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. Pp. 389-392.
8. Zhukov V., Melnik O., Logunov N., Chernyi S. Regulation and control in cooling systems of internal combustion engines. E3S Web Conferences. Innovative Technologies in Environmental Science and Education (ITESE-2019). EDP Sciences, 2019, vol. 135. Available at: https://www.researchgate.net/journal/E3S-Web-of-Conferences-2267-1242 (accessed: 10.02.2021).
9. Zhukov V. A., Pulyaev A. A., Melnik O. V., Nyrkov A. P. Ensuring the Permissible Temperature State of Parts of the Cylinder-Piston Group of Forced Diesels. 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2019 (Saint-Petersburg, Moscow, 28-30 January 2019). Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. Pp. 385-388.
10. Dean Pierce, Allen Haynes, Jeff Hughes, Ron Graves, Claus Daniel. High temperature materials for heavy duty diesel engines: Historical and future trends. Progress in Materials Science, 2019, vol. 103, pp. 109-179.
11. Taymaz I., Çakır K., Mimaroglu A. Experimental study of effective efficiency in a ceramic coated diesel engine. Surface and Coatings Technology, 2005, vol. 200, iss. 1-4, pp. 1182-1185.
12. Taymaz I. The effect of thermal barrier coatings on diesel engine performance. Surface and Coatings Technology, 2007, vol. 201, iss. 9-11, pp. 5249-5252.
13. Beziukov O. K., Zhukov V. A., Kurin M. S., Prokhorov O. G. Opyt konvertatsii avtotraktornykh dvigatelei v sudovye. Bezopasnost' vodnogo transporta [Experience in converting automotive engines into marine engines. Water transport safety]. Sbornik trudov Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, posviashchennoi 300-letiiu Sankt-Peterburga (Sankt-Peterburg, 10-12 sentiabria 2003 g.). Saint-Petersburg, Izd-vo SPbGUVK, 2003. Vol. 3. Pp. 121-125.
14. Zhukov V. A., Kurin M. S. Perspektivy konvertatsii avtomobil'nykh dvigatelei v sudovye v aspekte ekologicheskikh normativov. Aktual'nye problemy sovremennoi nauki [Prospects for converting automobile engines into marine ones by environmental standards. Actual problems of modern science]. Sbornik trudov XI Mezhdunarodnoi konferentsii (Samara, 16-18 noiabria 2010 g.). Samara, Izd-vo SamGTU, 2010. Part 3. Mekhanika i mashinostroenie. Pp. 41-45.
15. Zhukov V. A. Perspektivy ispol'zovaniia na vodnom transporte gazovykh dvigatelei serii IaMZ-530 CNG [Prospects for using gas engines of YaMZ-530 CNG series on water transport]. Sbornik nauchnykh trudov Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova. Saint-Petersburg, Izd-vo GUMRF im. adm. S. O. Makarova, 2017. Pp. 183-187.
16. Kavtaradze R. Z. Lokal'nyi teploobmen v porshnevykh dvigateliakh [Local heat exchange in piston engines]. Moscow, Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2001. 592 p.
17. Chainov N. D., Miagkov L. L., Malastovskii N. S. Metodika rascheta soglasovannykh temperaturnykh polei kryshki tsilindra s klapanami [Methodology for calculating coordinated temperature fields of cylinder head with valves]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta imeni N. E. Baumana. Seriia: Mashinostroenie, 2012, no. 10, pp. 82-91.
18. Novennikov A. L., Ivnev A. A. Issledovanie gidrodinamiki i teploobmena v kanalakh okhlazhdeniia golovok tsilindrov dizelei [Research of hydrodynamics and heat exchange in cooling channels of diesel cylinder heads]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie, 1989, no. 11, pp. 73-78.
19. Ivnev A. A. Uluchshenie teplovogo sostoianiia golovok tsilindrov avtomobil'nykh dizelei za schet sovershenstvovaniia ikh okhlazhdeniia: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk [Improving the thermal state of the cylinder heads of automobile diesel engines by improving their cooling: diss. abstr. ... cand. tech. sci.]. Moscow, 1991. 18 p.
20. Galyshev Iu. V., Shabanov A. Iu., Makarin A. V. Otsenka neobkhodimoi tochnosti zadaniia granichnykh uslovii teplovogo nagruzheniia golovki tsilindrov dvigatelia vnutrennego sgoraniia [Assessment of required accuracy of setting boundary conditions for thermal loading of cylinder head of internal combustion engine]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2014, iss. 3, pp. 75-80.
