Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

77-30569/354165 Применение методики расчета струйного охлаждения для определения параметров системы охлаждения поршня спортивного мотоцикла

# 03, март 2012
Файл статьи: Мягков_1_P.pdf (1082.36Кб)
авторы: Мягков Л. Л., Михайлов Ю. В.

УДК 621.432

МГТУ им. Баумана

mll-08@mail.ru

В качестве примера применения методики численного моделирования струйного охлаждения поршня, разработанной в работе [1], выполнен расчет системы струйного охлаждения поршня двигателя JAWA DT-500 (Рис. 1), устанавливаемого на гоночные мотоциклы JAWAIceSpeedway.

Ввиду высокой степени форсировки рассматриваемого двигателя и отсутствия принудительного масляного охлаждения, существующий уровень теплонапряженности поршня приводит к значительным тепловым деформациям, что снижает ресурс работы и в итоге приводит к заклиниванию поршня. Для увеличения ресурса работы поршня целесообразно введение струйного охлаждения.

Таким образом, целью данного исследования является разработка системы струйного охлаждения и подбор для нее рациональных параметров, обеспечивающих наилучшую эффективность охлаждения. Для этого необходимо выполнить ряд расчетов гидродинамики и теплообмена при взаимодействии струи масла с внутренней поверхностью поршня, получить граничные расчета по камере сгорания и боковой поверхности поршня для оценки теплового состояния поршня.

а)

б)

в)

Рис. 1. Двигатель мотоцикла JAWA DT-500: а) поперечный разрез серийного двигателя [2]; б) разрез поршня; в) вид на подднищевую поверхность поршня

Система струйного охлаждения в данном случае состоит из масляных форсунок, трубопровода и маслонасоса. Количество форсунок, их диаметр и расположение, а также требуемая производительность насоса являются искомыми параметрами, которые и характеризуют проектируемую систему охлаждения.

            Требуемые для разработки расчетной модели исходные данные представлены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры двигателя

Число цилиндров

1

 

Максимальная мощность, л.с.

~ 60

Тактность, τ

4

Охлаждение двигателя

воздушное

Диаметр цилиндра D, мм

85

Количество клапанов, расположение

2, верхнее

Ход поршня S, мм

87

Степень сжатия

16

Максимальные обороты, nmax, об/мин

9500

Топливо

метанол

 

Рис. 2. Расположение масляных форсунок

            Определение граничных условий на огневом днище поршня осуществлялось на основе данных расчета рабочего процесса в программе Diesel-RK, разработанной на кафедре «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э.Баумана. Поскольку программа Diesel-RK основана на однозонной модели рабочего процесса, результатами расчета являются осредненный по огневому днищу коэффициент теплоотдачи от горячих газов в поршень и результирующая температура. Таким образом, граничные условия на огневом днище поршня назначены следующие: средний коэффициент теплоотдачи от газа к стенкам αw = 1550 Вт/м2К; средняя эквивалентная температура цикла Tср = 1086°С.

Необходимо отметить, что сферическая поверхность поршня, формирующая камеру сгорания, имеет углубления под клапаны, т.е. не является осесимметричной, следовательно, расчет граничных условий в данном случае возможен только в трехмерной постановке. Однако трудозатраты и ресурсоемкость подобного расчета не согласуются с целями исследования, и упрощенное представление огневого днища в осесимметричном виде является оправданным. Использование осесимметричных граничных условий снижает точность расчета теплового состояния поршня, но при поиске оптимальных значений параметров системы масляного охлаждения важна относительная точность расчетов, что обеспечивается разработанной методикой [1].

Граничные условия на поверхностях канавок под поршневые кольца и на юбке поршня определены из расчета, выполненного по программе ICE [3], также разработанной на кафедре «Поршневые двигатели».

При расчете температурного поля неохлаждаемого поршня на внутренней поверхности задавался коэффициент теплоотдачи равный 160 Вт/м2К из условия охлаждения масляным туманом.

            В соответствии с методикой [1] производилось построение структурированной расчетной сетки в ANSYSICEMCFD с возможностью параметрического изменения (Рис. 3, а).

            Решение нестационарной задачи гидродинамики в трехмерной постановке, производившееся в пакете ANSYSCFX, является достаточно ресурсоемким, в связи с чем для уменьшения количества и систематизации проведения расчетов использовались методы планирования экспериментов.

 

а)

б)

Рис .3. Расчетная сетка: а) сетка для моделирования гидродинамики; б) сетка для расчета теплового состояния поршня

Для составления плана эксперимента необходимо выбрать независимые переменные – параметры системы охлаждения, а также назначить их уровни (табл. 2). Зависимой переменной является коэффициент теплоотдачи, осредненный по охлаждаемой поверхности и за время одного оборота коленчатого вала.             Предельные уровни факторов определялись следующим образом:

  • геометрические размеры, определяющие положение форсунок ограничены рациональной компоновкой, при которой струя масла должна попадать на охлаждаемую поверхность, не задевая при этом шатун;
  • расход масла на охлаждение поршней ограничен производительностью маслонасоса – при использовании разделенной системы охлаждения, т.е. отдельного насоса максимальный расход масла принят равным 200 л/ч.

            При планировании эксперимента использовался двухуровневый полный факторный план (2k) [4], что обусловлено наименьшим количеством опытов, посредством которых можно выделить эффекты каждого фактора, их взаимное влияние, а также составить линейную регрессионную зависимость.

            В табл. 2 представлены результаты, полученные согласно составленному экспериментальному плану, откуда видно, что наибольшее значение осредненного по охлаждаемой поверхности коэффициента теплоотдачи соответствует расчету № 13.

Таблица 2

План эксперимента 2kи результаты расчета

Номер
расчета

Диаметр форсунки
d, мм

Угол наклона форсунки β, º

Количество
форсунок

Расход
масла, л/ч

Среднее значения коэффициента теплоотдачи,

1

1

7

1

60

522,4

2

2

7

1

60

386,4

3

1

12

1

60

498,2

4

2

12

1

60

460,1

5

1

7

2

60

507,9

6

2

7

2

60

321,6

7

1

12

2

60

551,1

8

2

12

2

60

290,2

9

1

7

1

200

1454,4

10

2

7

1

200

1104

11

1

12

1

200

1352,8

12

2

12

1

200

990,2

13

1

7

2

200

1591,1

14

2

7

2

200

1291,3

15

1

12

2

200

1503,7

16

2

12

2

200

1339,7

 

            Для статистического анализа результатов расчетов применен метод оценки эффектов факторов [5], позволяющий выделить среди рассматриваемых факторов статистически значимые.

            Согласно табл. 3 наиболее значимыми факторами, в порядке понижения значимости, являются: расход масла G, диаметр сопла d, а также пара факторов G. При необходимости уточненного исследования влияния факторов на зависимую переменную, возможно провести дополнительные расчеты, составив трехуровневый полный факторный план (3k), позволяющий получить квадратичную регрессионную зависимость зависимой переменной от факторов.

             Наименее значимые факторы целесообразно отбросить для уменьшения количества расчетов, что является преимуществом последовательной стратегии планирования эксперимента [4]. Для рассматриваемой задачи количество расчетов при использовании последовательного подхода составило в сумме 21, что на 6 меньше, чем для случая изначального использования плана 3k для полного набора факторов.

 

Таблица 3

Оценка эффектов факторов

Фактор/ пара факторов

Эффект факторов на зависимую переменную  

диаметр сопла d

-224,76

угол наклона форсунки β

-24,138

количество форсунок

78,513

расход масла G

886,163

d; β

18,363

d;

-2,987

d; G

-69,438

β;

17,338

β; G

-39,463

; G

127,588

 

            Показанная на рис. 4 зависимость коэффициента теплоотдачи от расхода масла и диаметра сопла имеет практически линейный характер, что позволяет с достаточной для практики точностью использовать линейную регрессионную модель в рассматриваемом диапазоне изменения факторов.

            Максимальное значение коэффициента теплоотдачи соответствует набору факторов расчета №13 экспериментального плана 2k или расчету №3 плана 3k.

            Таким образом, опираясь на полученные результаты (см. табл. 2, 4), рациональными значениями параметров системы охлаждения принимаются: две масляные форсунки с диаметром сопла d = 1 мм, Закрепленные под углом β = 7º, при расходе через форсунку = 200 л/ч.

Расход масла G, л/ч

 

 

Диаметр сопла d, мм

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи от расхода масла и диаметра сопла

            Таблица 4

План эксперимента 3k и результаты расчета

Номер
расчета

Диаметр форсунки
d, мм

Расход
масла
G, л/ч

Коэффициент теплоотдачи

1

1

60

507,9

2

1

130

1106,5

3

1

200

1591,1

4

1,5

60

393,1

5

1,5

130

997,9

6

1,5

200

1378,4

7

2

60

321,6

8

2

130

820,8

9

2

200

1291,3

            На рис. 5 показана гидродинамическая картина течения при взаимодействии двух струй масла с охлаждаемой поверхностью поршня и между собой. В области столкновения потоков, порождаемых струями происходит значительная турбулизация течения, что способствует интенсификации теплообмена.

Рис. 5. Взаимодействие двух струй

 

            Показанное на рис. 6 локальное распределение коэффициента теплоотдачи по охлаждаемой поверхности поршня использовалось в качестве граничных условий при моделировании теплового состояния поршня.

            Введение струйного охлаждения поршня рассматриваемого двигателя позволило снизить максимальную температуру огневого днища на 73,7°С (рис. 6, а, б).

 

Рис. 6. Локальное распределение коэффициента теплоотдачи

 

            Спроектированная система струйного охлаждения поршня мотоцикла позволила значительно снизить теплонапряженность поршня, что необходимо для повышения ресурса работы высокофорсированного спортивного двигателя.

 

T, °C

а)

T, °C

б)

Рис. 7. Температурное поле поршня: а) неохлаждаемый поршнень; б) поршень, охлаждаемый струей масла

 

Литература

  1. Чайнов Н.Д., Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Численное исследование струйного охлаждения поршней ДВС // Двигателестроение. — 2011. — № 2. — С. 12–16.
  2. Бекман В.В. Гоночные мотоциклы. -М.: Машиностроение. -1983. -272 с.
  3. Математическое моделирование полей температур, деформаций и напряжений в деталях цилиндропоршневой группы поршневых двигателей / Н.Д. Чайнов, А.Н. Краснокутский, Л.Л. Мягков, С.Ю. Руссинковский: Учеб. пособие. -Ч.1: Моделирование температурных полей. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. -32 с.
  4. Налимов В.В. Логические основания планирования эксперимента / В.В.Налимов, Т.И.Голикова.- 2-е изд.- М.: Металлургия, 1981.- 151 с.
  5. Боровиков В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов. 2-е изд.- СПб.: Питер, 2003.- 688 с.

Тематические рубрики:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2021 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)