Специфические особенности передачи тепла в ДВС

Передача тепла может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность – процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различные температуры, и обусловлена движением микрочастиц тела.

Конвекция – процесс переноса тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция возможна только в подвижной среде и всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа с твердой стенкой называют конвективной теплоотдачей.

Тепловое излучение – процесс распространения тепловой энергии при посредстве электромагнитных волн. При излучении происходит двойное превращение энергии: тепловая энергия тела переходит в лучистую и обратно – лучистая энергия переходит в тепловую, поглощаясь стенками и излучателем.

Рассмотрим основные особенности передачи тепла в поршневых двигателях внутреннего сгорания.

1. В ДВС имеет место сложный случай теплообмена, характеризующийся наличием всех трех элементарных процессов распространения тепла. Для подтверждения рассмотрим схему передачи тепла от рабочего тела, находящегося в цилиндре ДВС, к охлаждающей жидкости и внешней среде (см. рис. 1).

Предполагаем, что цилиндр заполнен рабочим телом (газ) и идет процесс сгорания. Теплота от рабочего тела 1 при помощи конвекции и лучеиспускания передается масляному слою 2. Далее, теплопроводностью проходит этот слой, стенку гильзы цилиндра 3 и слой накипи 4. Далее с помощью конвективной теплоотдачи передается охлаждающему агенту 5, при помощи которого основная часть тепла выносится из рубашки охлаждения. Оставшаяся часть конвекцией передается стенке блока цилиндров 6 и при помощи конвекции и теплового излучения отдается в окружающую среду 7.

Рис. 1. Общая идеализированная схема передачи тепла от рабочего тела
в цилиндре к охлаждающей жидкости и внешней среде: 1 – камера сгорания;
2 – слой масла или нагара; 3 – гильза цилиндра; 4 – слой накипи;
5 – охлаждающая жидкость; 6 – стенка блока цилиндров; 7 – окружающая среда

Передача тепла через другие элементы КС двигателя отличается от описанной лишь частностями.

2. Каждый из элементарных процессов распространения тепла в ДВС представляет, в свою очередь, сложный процесс. В момент вспышки в цилиндре дизеля имеется сажистое пламя, излучение которого перекрывает излучение многоатомных газов. Конвективная теплоотдача также сложна: в течение одного цикла массы рабочего тела не имеют постоянного направления движения и подвергаются сжатию-расширению в замкнутом объеме. Движение поршня и рабочего тела создают предпосылки для возникновения внутри цилиндра крупномасштабных турбулентных пульсаций (вихрей), по отношению к которым различно ориентированы стенки тепловоспринимающих поверхностей КС, что делает резко отличными характеры обтекания каждой из них. Сами стенки имеют различную чистоту обработки и разные теплопоглощающие характеристики, что также влияет на процессы теплопередачи. Теплопроводность через сложные детали (поршни, головки цилиндров) имеет немало особенностей, что обусловлено не только их формой, но и материалами из которых они выполняются. Конфигурация камер сгорания существенно сказывается как на конвективном теплообмене, так и на способности к поглощению лучистой энергии.

3. Процессы теплоотдачи от рабочего тела к стенкам камеры сгорания изменяются во времени в пределах рабочего цикла. В первую очередь это связано с переменностью температуры рабочего тела, которая может изменяться от порядка 300 K в период впуска до 1800…2200 K в момент сгорания в дизелях и до 2600…3000 K в двигателях внешнего смесеобразования, т.е. изменяется на порядок за сотые доли секунды, что существенно для конвективного теплообмена. Изменение давления и температуры в цикле влияют на интенсивность конвективной теплоотдачи также и за счет изменения теплофизических характеристик компонентов рабочего тела. Излучение факела и газовой среды переменно в течение цикла, что связано с периодичностью процесса сгорания и постоянным изменением параметров рабочего тела в цилиндре двигателя (изменяется концентрация сажи, а вместе с ней – степень черноты и температура пламени). Кроме того, переменность теплового излучения вызывается тем, что излучательная способность газов определяется эффективной длиной луча (или толщиной газового слоя), а последняя в течение цикла в результате перемещения поршня изменяется. Таким образом, процессы передачи тепла в цилиндре переходят в область нестационарную, несравнимо более сложную как в теоретическом, так и экспериментальном планах.

4. В цилиндре ДВС всегда имеет место неорганизованное (и организованное) вихревое движение рабочего тела (мелко- и крупномасштабная турбулентность), особенно интенсивное в двухтактных двигателях, предкамерных, вихрекамерных и некоторых других. Оно оказывает существенное влияние на протекание процессов конвективной теплоотдачи в цилиндре.

5. Отличительной особенностью процесса конвективной теплоотдачи в цилиндре двигателя внешнего смесеобразования следует считать наличие в процессе сгорания фронта пламени, распространяющегося по смеси с конечной скоростью (порядка 20…40 м/с) от свечи зажигания к стенкам КС. Это заставляет делить зону КС как минимум на две – зону сгоревшего и несгоревшего топлива, термодинамические параметры газа в которых будут отличны друг от друга. Существенную роль в увеличении тепловой нагрузки на стенки КС играют аномальные виды сгорания – детонация и калильное зажигание.

6. Спецификой теплопередачи через гильзу цилиндра следует считать периодичность перекрытия поверхности гильзы поршнем, что обусловливает значительную локальность теплоотвода через различные зоны гильзы. Это связано не только с прямой теплоотдачей от рабочего тела к гильзе, но и опосредованной теплоотдачей через кольцевое уплотнение, а также с теплообменом между газом и стенками в заколечных объемах.

7. Работа трения поршневых колец и тронка переходит в тепло, которое суммируется с основным тепловым потоком, идущим от газов через стенки гильзы к охлаждающей жидкости, и является естественной преградой тепловому потоку, идущему от огневой поверхности днища поршня через кольца и втулку к охлаждающей среде. Это дополнительное тепло, составляющее 5…15 % тепла, введенного в двигатель с топливом, не может быть учтено ни одним из упоминавшихся видов передачи тепла.

8. Значительная часть тепла, отводимая через систему охлаждения головки цилиндров, передается ей через систему газовоздушных каналов (ГВК) и путем контактного теплообмена через фаски седел клапанов. Эти процессы также весьма сложны и обладают своей спецификой, а механизмы теплопередачи отличаются на разных стадиях протекания рабочего процесса.

9. Чрезвычайное разнообразие форм поперечных и продольных сечений водяных коммуникаций (форм рубашек воздушного охлаждения), переменность скоростей охлаждающей жидкости (воздуха в межреберном пространстве) вызывают локальность теплосъема со стороны охлаждающего агента.

При рассмотрении различных специфических особенностей, процессы теплопередачи в ДВС кажутся очень сложными и не подвергающимися теоретическому и экспериментальному анализу. Однако если рационально отобрать важнейшие факторы, принять допустимые упрощения, то можно получить достаточно правильную и имеющую практическую значимость оценку явлений теплопередачи в двигателе.

Что следует иметь в виду в первую очередь?

1. Локальные температуры поверхностей КС и ГВК остаются практически неизменными во времени на установившихся режимах работы двигателя. Амплитуда колебаний в несколько градусов при средних температурах стенок 400…800 K мало влияет на общий ход процессов теплообмена.

2. В связи с высокой теплопроводностью стенок, ограничивающих рабочие полости, температурные волны затухают очень быстро по мере углубления в стенку: на удалении 1…2 мм от поверхности пульсациями температур можно практически пренебречь, что сразу резко упрощает картину теплопередачи (т.е. можно считать что = const во времени).

3. Отдельные поверхности КС и ГВК омываются весьма организованно, что делает реальной задачу теоретического исследования теплопередачи через эти поверхности.

4. Упрощает задачу стабильность температуры охлаждающего агента, перепада температуры вдоль по потоку и картины распределения поля скоростей охлаждающей жидкости в зарубашечном контуре на установившемся режиме работы двигателя.

5. Огромное упрощение в исследованиях процессов теплопередачи и увеличение точности достигается использованием принципов теории подобия гидродинамических и тепловых явлений.