«Теплообмен в поршневых двигателях Научное направление теплообмен в поршневых двигателях в России имеет вековую историю и опирается на фундамент, первый камень в который ...»

Теплообмен в поршневых двигателях

Научное направление «теплообмен в поршневых двигателях» в России имеет вековую историю и опирается на фундамент, первый камень в который заложен трудами профессоров МГТУ (тогда еще ИМТУ) им. Н.Э. Баумана В. И. Гриневецкого и Н.Р. Брилинга.

Кафедра «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана и в настоящее время является

ведущей в этой актуальной и быстро развивающей области науки. К сожалению, не то что

отметить, но и перечислить в одной статье все достижения кафедры даже только в области теплообмена невозможно, поэтому ограничимся кратким анализом, прежде всего, тех пионерских работ, которых по истечению времени можно отнести к классическим, и более подробно остановимся на достижениях последних лет.

Объем статьи не позволяет также подробно проанализировать работы кафедры в области теплонапряженности и термоупругости, теплообмена в процессе испарения капель, теплообмена во вспомогательных системах двигателя и др. Поэтому в статье упоминается только о некоторых из них, при этом особое внимание уделено работам по теплообмену в цилиндре двигателя, выполненным в МГТУ и сотрудниками МГТУ.

Разумеется, что список литературы, приведенный в конце статьи, не может быть полным.

Первые работы в области теплообмена в двигателях. Поршневой двигатель внутреннего сгорания - одно из самых величайших достижений техники – стал широко внедряться в различные области промышленности и транспорта еще с конца 19-го столетия прежде всего благодаря стараниям создателей первых работоспособных машин француза Ж. Ленуара (1860 г.), немцев Н.А. Отто (1867 г.) и Р. Дизеля (1893 г.). Их разработкам предшествовали классические исследования С. Карно (1824 г.) и Р. Стирлинга (1816 г.), в которых четко было показано, что основной путь к увеличению КПД теплового двигателя – это расширение температурных пределов его цикла, что реальнее всего можно осуществить увеличением значения максимальной температуры. Определяющая роль охладителей и теплообменников, предсказанная С. Карно и Р. Стирлингом, нашли практические подтверждения в первых же конструкциях Ленуара, Отто и Дизеля, жизнеспособность которых, как оказалось, непосредственно зависела от интенсивности охлаждения рабочей полости. Р. Дизель в своей знаменитой книге [1] скрупулезно проанализировал термодинамические принципы работы нового двигателя, названного позже в его честь дизелем. В частности, им выдвигался принцип медленного (буквальнопостепенного») сгорания, при котором сохраняется температура конца сжатия Tc. Стараясь практически реализовать такой цикл, Р.Дизель предполагал минимизировать тепловые потери, увеличить КПД двигателя и упростить ее конструкцию, отказавшись от системы охлаждения. Принцип, предложенный им, по существу предвосхитил идею «адиабатного»

двигателя. Но опыт создания и экспериментального исследования первого образца нового двигателя по патенту Дизеля заставил отказаться от первоначальной формулы изобретения и ввести водяное охлаждение цилиндра. Из первых же работ Дизеля стало ясно, что увеличение мощности двигателя требует интенсификацию его охлаждения в целях обеспечения необходимой долговечности конструкции и что чем меньше отводится теплоты от рабочего тела, тем больше КПД двигателя.

Очевидно, что решение этих противоположных вопросов требовало пристального изучения тепловых процессов в двигателях, в частности процесса теплообмена между высокотемпературным рабочим телом и стенками камеры сгорания, определяющего теплонапряженные состояния основных деталей (поршень, гильза, крышка цилиндра, клапаны).

Однако изучению и прогнозированию процессов теплообмена в цилиндре двигателя, прежде всего, определению отведенной от рабочего тела теплоты, мешало отсутствие знаний о внутрицилиндровых процессах, в частности, отсутствие метода теплового расчета двигателя. Блестящая работа профессора МГТУ (ИМТУ) В. И. Гриневецкого «Тепловой расчет рабочего процесса», опубликованная в 1907 в переводной книге Г. Гюльднера, как дополнение от редактора [2], стала тем прочным фундаментом, на котором оказалось возможным строить теорию теплообмена для поршневых двигателей. В заключительной части своей работы В.И. Гриневецкий писал: «желательны исследования лабораторного характера по вопросам о неполноте сгорания и о теплоотдаче за разные периоды рабочего процесса, а также о догорании. Исследования этого рода представляют весьма тонкие экспериментальные задачи и почти не могут производиться вне лаборатории.

Практическое значение подобных исследований, однако, довольно велико, независимо от их ценности для расчета рабочего процесса. Вопросы о неполноте сгорания и о теплоотдаче к стенкам представляются весьма важными для конструктора, которому их приходится решать до сих пор ощупью» [2].

Вопросы теплообмена в поршневых двигателях «в чистом виде» в первые начал изучать В. Нуссельт (1882-1957) – один из крупнейших теплофизиков прошлого столетия, создатель теории подобия в теплопередаче. Обрабатывая опытные данные, полученные на калорической бомбе, а также опыты Д. Клерка по тепловому балансу тихоходного газового двигателя, В. Нуссельт получил и в 1923 г. опубликовал формулу для коэффициента теплоотдачи в цилиндре поршневого двигателя [3]:

(T / 100) 4 (TW / 100) =1,16 (1+1.24cm). T1/3. P2/3 +0.421, (1) T TW где T,P – текущая температура (К) и текущее давление (бар) рабочего тела в цилиндре, TW –температура (К) поверхности камеры сгорания, cm – средняя скорость поршня (м/с).

Следует отметить, что В. Нуссельт был автором 11 опубликованных работ по актуальным вопросам двигателестроения, а на кафедре термодинамики Мюнхенского технического университета, которой он руководил, только в области поршневых двигателей его докторантами были защищены 24 диссертации! В теории поршневых двигателей В. Нуссельт известен, прежде всего, как автор формулы (1).

Основополагающие работы Н.Р. Брилинга и его последователей. МГТУ (МВТУ) им. Н.Э. Баумана был первым высшим учебным заведением страны, где еще в 20х годах ХХ века стали проводить глубокие исследования процессов теплообмена в поршневых двигателях. Руководителем и автором этих работ был выдающиеся ученый, профессор Н.Р. Брилинг (1876-1961) – впоследствии член-корреспондент АН СССР. Он –ученик и соратник В.И. Гриневецкого, получивший инженерное образование в Германии и был знаком с работами немецких ученых в области двигателестроения.

Н.Р. Брилинг в 1931г. издал монографию [4], тем самым заложил основы в создании отечественной школы по теплообмену в поршневых двигателях. Проведя опыты по определению тепловых потерь в цилиндре малооборотного (n =200 мин-1) компрессорного дизеля, он обнаружил, что интенсивное вихреобразование, обусловленное пневматическим распыливанием топлива, интенсифицирует теплообмен в цилиндре, и предложил свой вариант формулы Нуссельта (T / 100) 4 (TW / 100) =1,16 (1+1.45+0.185. cm).(TP 2)1/3+0.421, (2) T TW имеющий, как и (1), аддитивную структуру = 0 + + + R, где 0 – коэффициент теплоотдачи, соответствующий в целом неподвижному газу в камере сгорания (его выражение Нуссельт получил на сферической бомбе при наличии в ней свободной конвекции); К- то же, соответствующее условиям вынужденной конвекции со скоростью, пропорциональной средней скорости cm поршня; R-коэффициент теплоотдачи излучением и его значение было определено Нуссельтом в результате экспериментов с применением позолоченной, а также выкрашенной в черный цвет поверхностей бомб. Коэффициент теплоотдачи =1.45.(T. P 2 )1/3 Н. Р. Брилинг связывает с «теплоотдачей от вихрей» [4], указывая при этом, что в быстроходных дизелях теплообмен «следует тому же закону, какой был нами найден для стационарного двигателя Дизеля, с той лишь разницей, что в теплопередаче отсутствует постоянный член, выражающий тепло от вихревых движении, вызванных искусственно в процессе распыливания топлива». Поэтому в расчетах быстроходных дизелей бескомпрессорного типа полагается, что = 0.

Заслуга Н. Р. Брилинга очевидна: сохранив структуру нуссельтовской формулы (1), он совершенно недвусмысленно доказал, что в каждом конкретном случае (способ смесеобразования, быстроходность, уровень форсирования) коэффициенты должны уточняться по результатам прямых экспериментов. Этот вывод Н. Р. Брилинга нашел развитие в работах других выдающихся представителей научной школы МГТУ - Н. Н. Брызгова и Н.В.

Иноземцева [5, 6], содержащих конкретизацию выражении 0,,K для отдельных типов двигателей.

Н. Н. Брызгов [5] уточнил значения для предкамерных двигателей. Согласно его экспериментам в случае обычных предкамер первый член в скобках в формуле Нуссельта – Брилинга меняется и -формула принимает вид - (1+3.5+0.185.cm), а в случае предкамерных двигателей с так называемой акро-камерой - (1+4.2+0.185.cm). Интенсификацию теплообмена Н.Н. Брызгов объясняет наличием акро-камеры, представляющей собой углубление дуговой формы на огневой поверхности поршня, расположенное навстречу вытекающих из предкамеры горячих газов. В конце сжатия в углубление остается слой воздуха, который принимает на себя тепловой поток от высокотемпературного рабочего тела и служит как тепловая защита для поршня. Форма акро-камеры способствует вихревому движению движения заряда в основной камере и интенсифицирует теплообмен со стенками.

Н.В. Иноземцев (1902-1956), выпускник МГТУ (МВТУ) им. Н.Э. Баумана 1927 г., ставший впоследствии крупным ученым в области тепловых двигателей, лауреатом Сталинской премии, заведующим кафедрой «Термодинамика» и ректором МАИ, модифицировал -формулу Нуссельта – Брилинга, заменив первый член в скобках для двухтактных быстроходных дизелей на (1+5+0.185.cm), а для четырехтактных дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива – на (1+2.2+0.185.cm) [6]. Огромный авторитет В. Нуссельта, как теплофизика, и Н.Р. Брилинга, как двигателиста, привело к тому, что предложенную ими структуру -формулы вплоть до конца 60-их годов прошлого века принимали как догму, меняя в них только коэффициенты в выше указанном члене. В качестве примера можно привести работы как советских исследователей - И.А. Трактовенко (1947 г.), А.Н. Гнездилова (1952), Н.И. Цветкова (1953), Л.М. Белинкого (1955), А.Г. Морозова (1957), И.М. Ленина и А.В. Кострова (1963), так и зарубежных H.W. van Tyen (1959), A.

Stambuleanu (1966).

Заслуги Н.Р. Брилинга в развитии теории теплообмена применительно к тепловым двигателям не ограничиваются введением уточненной -формулы (2). Он и дальше активно занимался исследованием теплообмена в поршневых двигателях, в частности, исследованием влияния отношения хода поршня к диаметру S/D на тепловую напряженность дизеля. Этот вопрос стал особенно актуальным при создании форсированных дизелей и был затронут Н.Р. Брилингом в 1957 г. [7]. Позже к нему неоднократно возвращались и другие исследователи, используя идею Н.Р. Брилинга о том, что тепловая напряженность поршня соответствует общей отдаче теплоты в стенки камеры сгорания. Количество этой теплоты оценивается так называемой поршневой мощностью N порш ~ p e c m, где p e - среднее эффекSn тивное давление, c m = - средняя скорость поршня. Очевидно, что короткоходный двигатель обеспечит меньшую отдачу теплоты в стенку, чем двигатель с S/D=1. Так как поршневая мощность короткоходного двигателя при частоте вращения n=idem будет меньше, чем у двигателя с S/D=1, то это позволяет повысить давление наддува, не опасаясь тепловой напряженности поршня.

Теплообмен в процессе смесеобразования. Теплонапряженное состояние деталей двигателя. Среди фундаментальных исследований из области теплообмена в поршневых двигателях достойное место занимает работа [8] Д.Н. Вырубова (1900-1978)– профессора МГТУ (МВТУ) им. Н.Э. Баумана, основоположника научной школы по смесеобразованию и сгоранию в поршневых двигателях. До выхода этой работы для расчета теплоотдачи сферических капель дизельного топлива обычно использовались результаты Л.Г.