Вплив зміни розмірів гільз циліндрів на їхній тепловий стан та характеристики двигуна і тягово-швидкісні властивості автомобіля

Abstract

Робота присвячена вирішенню науково-прикладної задачі — оцінюванню комплексного впливу вагомих чинників на температурну стабілізацію автомобільного двигуна та зміни розміру циліндра на тягово-швидкісні і паливно-економічні властивості автомобіля. Розроблена методика моделювання тепловіддачі контактного середовища «гільза – охолодник» ДВЗ на сіткових моделях. Ідентифіковано умови тепловіддачі цього середовища розв’язуванням зворотної задачі теплопровідності за результатами стендових випробувань та комп’ютерного моделювання. Отримано температурні поля в контактному середовищі за різних поєднань розмірів гільзи та режимних чинників. З використанням методу математичного планування експерименту отримана регресійна залежність для розрахунку тривалості стабілізації температурного режиму ДВЗ. Досліджено вплив зміни діаметру гільзи циліндрів на енергетичні показники ДВЗ та тягово-швидкісні й паливно-ощадливі властивості автомобіля. Работа посвящена решению актуальной научно-прикладной задачи — оцениванию комплексного влияния весомых факторов на температурную стабилизацию автомобильного двигателя и изменения его размера цилиндров на тягово-скоростные и топливно-экономические свойства автомобиля. С этой целью разработана сеточная модель контактной среды «гильза – охладитель» ДВС, базирующаяся на общей методологии моделирования задач теплофизики программном комплексе «Фурье – 2 XYZ», который обладает высокой информационной производительностью. Адекватность тепловой модели проверена по результатам стендовых испытаний двигателя ЗМЗ – 511.10. В работе решены следующие задачи: 1) анализ факторов, влияющих на рабочие процессы и надежность ДВС; 2) обзор методов тепловых расчетов и исследований ДВС; 3) разработка математической модели для исследования температурных полей в контактной среде «гильза цилиндров – охладитель»; 4) разрабатывание измерительного комплекса и проведение стендовых испытаний ДВС с целью проверки правильности математической модели задачи; 5) параметрическая внешняя идентификация граничных условий тепловых моделей «гильза – охладитель» решением обратной задачи теплопроводности компьютерным моделированием и сравнением ее результатов с итогами стендовых испытаний ДВС; 6) исследование действия влиятельных факторов на температурный режим контактной среды «гильза – охладитель» ДВС с помощью планового математического эксперимента и получения регрессионных зависимостей для определения времени достижения квазиустановившегося теплового режима ДВС на основании системологического подхода; исследование влияния увеличения размеров цилиндров на изменение мощности, крутящего момента и расхода топлива ДВС и тягово-скоростные и топливно-экономические свойства автомобиля. Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые создан метод моделирования процессов теплопередачи и теплообмена на сеточных моделях контактной среды «гильза – охладитель» ДВС; усовершенствован метод решения тепловых задач для гильз ДВС с измененными параметрами; разработан контрольно-измерительный комплекс на основе модульного принципа для стендовых испытаний ДВС; впервые исследовано комплексное влияние плотности теплового потока, коэффициента теплоотдачи и толщины гильзы цилиндра на температурный режим контактной среды «гильза – охладитель»; обнаружено влияние увеличения размеров цилиндров на изменение характеристик ДВС и тягово-скоростные и топливно-экономические свойства автомобиля. В первом разделе рассмотрены вопросы эксплуатационной надежности автомобильных двигателей, которая в большой степени определяется сроком службы деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). Проанализированы современные взгляды на протекание процесса износа ЦПГ ДВС. Поскольку износ сопровождается повышением температуры поверхностей трения, то в работе рассмотрена взаимосвязь температурного состояния двигателя и его эксплуатационных свойств. Второй раздел посвящен математическому описанию тепловых процессов в ДВС, которые состоят в беспрерывном повторении термодинамического цикла, в результате которого температурное поле деталей изменяется по периодическому закону. Разработана математическая модель контактной среды «гильза – охладитель», базирующаяся на программном комплексе «Фурье – 2 XYZ», адаптированном с участием автора к решению поставленной задачи. В третьем разделе описана испытательная установка, состоящая из стенда 1 DS 1036 kV (Чехия) и измерительного комплекса, разработанного автором совместно с НИИ «Система» (г. Львов) для регистрирования и записи необходимых параметров. В четвертом разделе изложены принципы системологического подхода к исследованию температурных режимов контактной среды «гильза – охладитель» ДВС. На основании методов математического моделирования и планирования эксперимента получены регресионные зависимости для определения времени стабилизации температурного режима контактной среды. В пятом разделе рассмотрены последствия увеличения диаметра цилиндров ДВС, в т. ч. в результате ремонтных воздействий. В частности, это приводит к улучшению тяговых свойств автомобиля: возможности преодоления большего угла подъема либо увеличению ускорения от 4 до 8 % в зависимости от номера передачи; уменьшения времени и пути разгона с места соответственно на 5,3 и 6,0 %. Несмотря на улучшение тягово-скоростных свойств, топливная экономичность не ухудшилась, что оценено математическим моделированием движения автомобиля в магистральном ездовом цикле. Рекомендации и технические решения, предложенные в работе, приняты и используются в практической деятельности филиала концерна «Техвоенсервис» ЛАРЗ (г. Львов). The dissertation is devoted the decision of the scientific applied task — to the evaluation of complex influence of important factors on stabilizing of temperature of motorcar engine and change of size of cylinder on hauling speed and fuel economic properties of automobile. Method of design of heat emission of contact environment «shell and cooler» of engine internal combustion (EIC) developed on net models. The terms of heat emission of this environment are identified the decision of reverse task of heat conductivity as a result of stand tests and computer design. The temperature fields in a contact environment are got by these methods at different combinations of sizes of shell and factors of the mode. Dependence of regression for timing stabilizing of temperature condition of EIC got with the use of method of planning of experiment. Influences of change of size of shell of cylinders on the power indexes of work of EIC and hauling – speed and fuel – economic properties of automobile are investigational.