УСТРОЙСТВО НАБЛЮДЕНИЯ ЗА РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В ДНИЩЕ ПОРШНЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА НЕМ
DEVICE FOR DISTRIBUTION OF HEAT FLOWS IN PISTON BOTTOM TO ESTIMATE EFFICIENCY OF HEAT SHIELDING COATING ON THEREON

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для теплофизических исследований теплозащитных покрытий на днище поршня и наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня по скорости повышения температуры его внутренней поверхности при нагреве с внешней стороны, и может быть использовано для исследования эффективности влияния теплозащитного покрытия на температуру поршня.
Известны устройства для измерения температуры поршней в виде плавких вставок-индикаторов (патент RU 2343433, МПК G01K 11/00, опубл. 10.01.2009), устройства с использованием термопар (патент RU 2096773, МПК G0125/20, опубл. 20.11.1997) и устройства с использованием термоиндикаторных красок (Абрамович Б.Г. Термоиндикаторы и их применение. Химия и химики, 2008, №5, с. 19-64).
Недостатки известных устройств заключаются в следующем.
Плавкие вставки-индикаторы регистрируют только результат нагрева до определенной температуры, но не позволяют проследить динамику изменения температуры, что необходимо для оценки теплопроводности. Устройства с использованием термопар позволяют определять температуру и скорость ее изменения с высокой точностью, но только в отдельных точках и не показывают распределение температур по поверхности. Термоиндикаторные краски (ТУ 133-67) показывают распределение температур по поверхности, но интервал измеряемых температур составляет 10…30°С, а точность измерения 5…15°С, что недостаточно для вычисления таких физических характеристик, как теплопроводность и температуропроводность, а также для измерения тепловых потоков.
Известно устройство для определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий (ТЗП), содержащее испытуемый образец в виде пластины с ТЗП с одной стороны и без ТЗП с обратной стороны поверхности, установленный в съемной боковой стенке теплоизолированного вентиляционного канала, причем поверхность образца с ТЗП расположена снаружи канала, а поверхность без ТЗП обращена вовнутрь канала. В противоположной стенке канала, параллельной съемной боковой стенке, выполнен вырез в виде прямоугольного окна, в котором установлено ИК-прозрачное стекло, напротив исследуемых поверхностей образца снаружи канала установлены компьютерные термографы, при этом для подогрева поверхности образца с ТЗП используют нагреватель с постоянной температурой, а для охлаждения поверхности образца с обратной стороны используют поток холодного воздуха (патент RU 2426106, МПК G01N 25/18, опубл. 10.08.2011).
Недостатки известного устройства заключаются в ограниченных функциональных возможностях, так как устройство предназначено для исследования образцов, а не готовых изделий, что не обеспечивает анализ распределения тепловых потоков в теле изделия с учетом его конечной конфигурации.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.
Техническим результатом является повышение точности определения температуры внутренней поверхности днища поршня во всех ее точках и, соответственно, повышение эффективности оценки теплозащитных покрытий на днище поршня.
Указанный результат достигается устройством наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня для оценки эффективности теплозащитных покрытий на нем, включающим баллон сжиженного газа с насадкой, соединенный через регулировочный кран с ротаметром, соединенным шлангом с горелкой Бунзена, которая установлена под испытуемым поршнем, помещенным в цилиндре, имеющем отверстие в нижней части и закрепленном на штативе, на котором также закреплен тепловизор, расположенный над поршнем с его внутренней стороны, причем в нижней части цилиндра установлен защитный экран, а также подвижная заслонка с возможностью перекрытия отверстия в цилиндре.
Технический результат достигается благодаря следующему.
Современные тепловизоры, основанные на регистрации инфракрасного излучения, позволяют проводить измерения температуры любых поверхностей в диапазоне от -200 до +1200°С, с разрешающей способностью до 0,1°С и скоростью записи 15…25 кадров/с. Предложенное устройство с использованием тепловизора, например, FLIR Р660 производства США, позволяет повысить точность определения температуры внутренней поверхности днища поршня во всех ее точках и достоверно наблюдать за распределением тепловых потоков в днище поршня по скорости увеличения температуры одновременно во всех точках внутренней поверхности днища поршня. Это обеспечивает повышение эффективности оценки теплозащитных покрытий на днище поршня.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично представлено устройство наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня для оценки эффективности теплозащитных покрытий на нем.
Устройство включает в себя баллон сжиженного газа пропан/бутан (по ГОСТ 15860-84) с насадкой 1, соединенный через регулировочный кран 2 с ротаметром 3, соединенным шлангом с горелкой Бунзена 4, которая установлена под испытуемым поршнем 5, помещенным в цилиндре 6, имеющем отверстие в нижней части и закрепленном на штативе 7, на котором также закреплен тепловизор 8, расположенный над поршнем с его внутренней стороны, причем в нижней части цилиндра установлен защитный экран 9 для защиты тепловизора от восходящего горячего потока, а также подвижная заслонка 10 для установления времени начала нагрева.
Устройство работает следующим образом.
В цилиндр 6 вставляют поршень 5, который удерживается силами трения или любым другим способом. Под поршнем соосно с ним устанавливают газовую горелку Бунзена 4, с помощью которой осуществляют нагрев поршня в цилиндре и которая имитирует горение рабочей смеси в двигателе внутреннего сгорания. Режим горения, зависящий от расхода газа, регулируется краном 2 и контролируется с помощью ротаметра 3. Расстояние между горелкой и поршнем подбирают экспериментально в зависимости от размеров поршня и типа горелки. Сверху, соосно с поршнем, на штативе 7 закрепляют тепловизор 8. Расстояние от поршня до тепловизора устанавливают в зависимости от требуемого масштаба изображения, размера поршня и диапазона фокусировок тепловизора. В исходном положении заслонка 10 закрывает отверстие цилиндра 6 и поршень, находящийся в нем. С помощью крана 2 и ротаметра 3 устанавливают требуемый расход газа, который подбирается экспериментально, в зависимости от размеров поршня и типа горелки. Газ поджигают и, по достижении устойчивого режима горения, открывают заслонку 10, одновременно включая запись на тепловизоре 8. Нагрев продолжают до достижения максимальной заданной температуры, которую контролируют на экране тепловизора визуально. Для окончания нагрева краном 2 перекрывают газ.
Поле температур на внутренней поверхности головки поршня снимается тепловизором в режиме видео со скоростью записи 15...25 кадров/с. Путем анализа последовательно записанных кадров выявляют характерные области нагрева, определяют их температуру в каждый момент времени и вычисляют скорость изменения температуры. Оценка теплофизических характеристик осуществляется методом сравнения с характеристиками эталонных образцов поршней. Например, можно сравнивать характеристики поршней без покрытия и с покрытиями различных типов и толщин; поршней с различной конфигурацией головки и днища; поршней надлежащего качества и имеющих дефекты. В последнем случае устройство может использоваться как средство неразрушающего контроля качества готовых изделий.
Таким образом, применение заявляемого устройства позволяет повысить точность определения температуры внутренней поверхности днища поршня во всех ее точках и, соответственно, повысить эффективность оценки теплозащитных покрытий на днище поршня.