Стенд для исследования головки цилиндра двигателя внутреннего сгорания

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к двигателестроению, и может быть использована для исследования теплового и напряженно-деформированного состояния (ТНДС) головки цилиндра двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Известен стенд для исследования теплонапряженного состояния деталей двигателей [А.С. №1193492]. Стенд содержит монтажную плиту для испытуемой головки, систему жидкостного охлаждения головки, источник нагрева и охлаждения огневого днища головки и измерительные средства, систему трубопроводов, управляемые запорные органы, исполнительный механизм и систему автоматического управления, причем источник нагрева выполнен в виде камеры сгорания с системами топливоподачи, воздухоснабжения и зажигания, а система автоматического управления - в виде термопар, управляющих потенциометров и чувствительного элемента, управляемые запорные органы связаны с исполнительным механизмом и размещены в системе трубопроводов, последние расположены между камерой сгорания и источником охлаждения с одной стороны и огневым днищем испытуемой головки с другой, термопары системы автоматического управления установлены в испытуемой головке, управляющие потенциометры электрически связаны с термопарами, а чувствительный элемент электрически связан с управляющими потенциометрами и пневматически с исполнительным механизмом. Стенд не позволяет получить достаточную точность исследований теплонапряженного состояния головки цилиндров из-за невозможности контролировать величину теплового потока при нагреве с помощью горячих газов.
Известен стенд для исследования теплонапряженного состояния деталей двигателей [А.С. №1783342]. Стенд содержит корпус, размещенные в нем охлаждающий цилиндр и поршень, излучатель тепловой лучистой энергии, дисковый перераспределитель плотности теплового потока с профильными вырезами и привод. Дополнительно содержится штуцер, связывающий поршневую полость с атмосферой и кольцевую проставку с кварцевым стеклом, в которой по периметру выполнены радиальные сквозные каналы с установленными в них невозвратными клапанами. При этом кольцевая проставка установлена на верхней торцовой части корпуса, под дисковым перераспределителем, а штуцер установлен в нижней части корпуса на уровне нижней мертвой точки хода поршня. Стенд предназначен для исследований поршней и не позволяет исследовать головку цилиндра, что ограничивает область его применения.
Известен стенд для исследования теплонапряженного состояния деталей двигателей, выбранный за прототип [RU патент №142963]. Стенд содержит раму, нагреватель с зоной нагрева, систему охлаждения и плиту крепления, причем нагреватель выполнен в виде экрана и набора галогенных ламп, установленных на экране против центральной части огневого днища, стенд снабжен системой управления с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором, для фокусировки теплового потока на огневое днище головки цилиндров в плите крепления имеется отверстие в виде конуса, головка цилиндров закреплена через дополнительно установленное проставочное кольцо, которое по форме повторяет верхнюю часть цилиндра двигателя. В стенде для приближения к реальным величинам перепада температур поверхностей огневого днища на внутреннюю поверхность проставочного кольца установлена трубка, по которой протекает проточная вода для охлаждения периферии огневого днища головки цилиндров. В раме и плите крепления выполнены каналы охлаждения проточной водой.
Недостатком известного стенда является недостаточная точность исследований головок цилиндров ДВС, т.к. проточная система охлаждения проставочного кольца не позволяет точно контролировать температуру головок цилиндров на периферии огневого днища и поэтому не позволяет формировать температурное поле головок цилиндров, равное по своим значениям температурному полю головок цилиндров в условиях работающего двигателя.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении точности исследований теплового и напряженно-деформированного состояния головки цилиндра на стенде.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что стенд для исследования головки цилиндра двигателя внутреннего сгорания содержит раму с плитой крепления, нагреватель с зоной нагрева, причем нагреватель выполнен в виде экрана и галогенных ламп с системой управления, установленных на экране, и проточную систему охлаждения нагревателя, при этом плита крепления соединена с установочным цилиндрическим фланцем, осевое отверстие которого имеет конусообразную форму для фокусировки теплового потока на огневое днище головки цилиндра, а внутри указанного фланца образована полость, соединенная со штуцером подвода охлаждающей жидкости и штуцером отвода охлаждающей жидкости, дополнительно имеется система охлаждения головки цилиндра, включающая соединенные между собой трубопроводом полость установочного цилиндрического фланца, радиатор с перепускной трубой, термостат, циркуляционный насос, расходомер и штуцер подвода охлаждающей жидкости к головке цилиндра.
Таким образом, с помощью заявленной совокупности существенных признаков удается повысить точность исследований теплового и напряженно-деформированного состояния головки цилиндра на стенде за счет дополнительной системы охлаждения, устанавливаемой на стенде головки цилиндра, поскольку при установке на стенде исследуемой головки цилиндра и подключении к ней системы охлаждения образуется замкнутый контур охлаждения, с помощью которого контролируются и поддерживаются параметры охлаждающей жидкости (температура и расход) такими же, как и на двигателе, а с помощью регулирования напряжения на клеммах галогенных ламп осуществляется подвод тепла к днищу головки цилиндра от нагревателя, равный количеству тепла, подводимому на работающем двигателе. В этом случае при контактном давлении между головкой цилиндра и установочным фланцем, равным контактному давлению при установке головки цилиндра на блок двигателя, теплообмен между головкой цилиндра и установочным фланцем будет равен теплообмену между головкой цилиндра и блоком двигателя, в том числе и на периферии днища головки цилиндра. Создаваемое таким образом равенство тепловых потоков в условиях стенда и в условиях двигателя как со стороны подвода, так и со стороны отвода, в том числе и на периферии огневого днища головки цилиндра, позволяет сформировать в условиях стенда температурное поле огневого днища головки цилиндра, в том числе и на его периферии, равное по своим значениям температурному полю головки цилиндра на работающем двигателе, что позволяет повысить точность исследований теплового и напряженно-деформированного состояния головки цилиндра на стенде. На Фиг. представлена схема заявляемого стенда.
Стенд для исследования головки цилиндра двигателя внутреннего сгорания (Фиг.) включает раму с плитой 1 крепления и стойками 2. Рама закреплена на плите-основании 3. На раме закреплены: нагреватель с зоной нагрева, выполненный в виде экрана 4 и набора кварцевых галогенных ламп 5 накаливания, установленных на экране 4; плита-отражатель 6 и проточная система охлаждения нагревателя, выполненная проточной и содержащая соединительные трубопроводы и установленные на экране 4 и плите-отражателе 6 штуцеры 7 подвода к нагревателю и штуцеры 8 отвода из него проточной охлаждающей жидкости (воды).
Нагреватель снабжен системой управления напряжением на клеммах ламп 5 накаливания с помощью реле времени.
Плита 1 крепления соединена с установочным цилиндрическим фланцем 9, осевое отверстие которого имеет конусообразную форму для фокусировки теплового потока на огневое днище головки цилиндра. Установочный фланец 9 образован двумя кольцевыми поверхностями, верхней и нижней, при этом внутренний диаметр верхней поверхности равен диаметру огневого днища головки цилиндра, а внутренний диаметр нижней поверхности на 20% больше диаметра огневого днища головки цилиндра, между которыми соосно расположены усеченный конус (осевое отверстие конусообразной формы) с верхним диаметром, равным диаметру огневого днища головки цилиндра и нижним диаметром на 20% больше диаметра огневого днища головки цилиндра, и круговой цилиндр с диаметром равным внешнему диаметру кольцевых поверхностей, так что образуется внутренняя кольцевая полость охлаждения.
Образованная внутри указанного фланца 9 полость соединена со штуцером 10 подвода охлаждающей жидкости, вмонтированным в боковую поверхность внешнего кругового цилиндра фланца 9, и штуцером 11 отвода охлаждающей жидкости, закрепленным на верхней поверхности фланца 9.
Кроме того, фланец 9 имеет сквозные отверстия (на чертеже не показано), которые образованы втулками, проходящими через верхнюю и нижнюю поверхности фланца 9 и герметичными относительно внутренней полости фланца 9, и расположены относительно осевого отверстия конусообразной формы и друг друга так же, как и отверстия крепления головки цилиндра к блоку цилиндров ДВС, что придает жесткость фланцу 9, практически равную жесткости блока цилиндров двигателя.
Дополнительно имеется система охлаждения головки цилиндра, включающая последовательно соединенные между собой трубопроводами полость установочного цилиндрического фланца 9, радиатор 12 (водо-воздушный холодильник) с перепускной трубой 13, термостат 14 для управления температурой охлаждающей жидкости, циркуляционный насос 15 с встроенным ШИМ-регулятором для перекачки охлаждающей жидкости, расходомер 16 для измерения расхода охлаждающей жидкости и штуцер 17 подвода охлаждающей жидкости к головке цилиндров. Перед входным штуцером 17 охлаждающей жидкости в установочный фланец 9 может быть установлена контрольная термопара (на чертеже не показано).
Фланец 9 предназначен для установки и крепления головки цилиндра с помощью шпилек 18, которые затягиваются с усилием, равным усилию затяжки на двигателе, что позволяет создать контактное давление между головкой цилиндра и фланцем 9, равным контактному давлению при установке головки цилиндра на блок двигателя.
Заявляемый стенд работает следующим образом.
Исследуемая головка цилиндра через прокладку головки блока цилиндров устанавливается на фланец 9, совмещая при этом с помощью штуцера 11 полости охлаждения фланца 9 и головки цилиндра, и закрепляется шпильками 18 моментом затяжки, равным моменту при установке головки цилиндра на двигатель. Штуцер 17 вворачивается в выходное отверстие головки цилиндра, образуя таким образом замкнутую систему охлаждения стенда. Нагрев головки цилиндра осуществляется прямым от галогенных ламп 5 и отраженным от плиты-отражателя 6 лучистым тепловым потоком, величина которого зависит от напряжения на клеммах галогенных ламп 5. Включение-выключение галогенных ламп 5 осуществляется с помощью автоматических выключателей с регулируемым реле времени. Внутренние поверхности экрана 4 и плиты-отражателя 6 зеркально отполированы для получения максимального коэффициента отражения. Экран 4 и плита-отражатель 6 присоединены с помощью штуцеров 7 и 8 к проточной системе охлаждения стенда и охлаждаются проточной водой. Отвод тепла от головки цилиндра осуществляется с помощью замкнутой системы охлаждения стенда путем прокачки охлаждающей жидкости, нагретой в головке цилиндра, через радиатор 12 насосом 15. Изменение количества отведенного тепла осуществляется регулированием расхода и температуры охлаждающей жидкости. При этом регулирование расхода производится изменением производительности насоса 15 с помощью встроенного ШИМ-регулятора. Регулирование температуры охлаждающей жидкости осуществляется с помощью термостата 14, который настроен на определенную температуру в соответствии с режимом работы двигателя и направляет охлаждающую жидкость через радиатор 12 или в обход через перепускную трубу 13. Величина расхода охлаждающей жидкости и значение температуры задается равной расходу и температуре на соответствующем режиме работы двигателя. Контроль расхода производится по расходомеру 16. В результате в днище головки цилиндра, в том числе и на его периферии, создается температурное поле, которое по своим значениям аналогично температурному полю днища головки цилиндра на работающем ДВС.
Таким образом, разделение системы охлаждения на проточную и замкнутую позволяет решить проблему более точного приближения теплового и напряженно-деформированного состояния (ТНДС) исследуемой на стенде головки цилиндра к ТНДС головки цилиндра, находящейся на работающем двигателе, что повышает точность результатов исследований ТНДС головки цилиндра, получаемых на стенде.