СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОЛОВКИ ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано для испытания теплонапряженного состояния головок цилиндров.
Известен стенд для исследования теплонапряженного состояния деталей двигателей (см. патент РФ на полезную модель №15022 U1 МПК G01M 13/00, «Стенд для исследования теплового состояния деталей двигателя воздушного охлаждения», опубл. 10.09.2000 г., авторы Александров Н.Е., Арав Б.Л., Кривошеин Л.В.), содержащий цилиндр двигателя с установленным в нем поршнем, упругими упорами и нагревателем, головку цилиндра, систему приборов для подачи, охлаждения и контроля параметров масла и воздуха, подаваемых к исследуемым деталям, отличающийся тем, что стенд снабжен камерой, состоящую из трех полостей с вентилятором и двумя регулируемыми заслонками, расположенными в третьей полости в местах ее соединения с первой и второй. Стенд позволяет осуществлять исследования тепловых процессов, происходящих в цилиндро-поршневой группе двигателя. Однако, данное устройстве не позволяет осуществлять нагружение головок цилиндров блоками (набором циклов), что снижает точность испытаний на термопрочность деталей двигателя внутреннего сгорания.
Известен стенд для исследования теплонапряженного состояния деталей двигателей (см. А.с. №1196721 A1 МПК G0 М 15/00 «Стенд для исследования теплонапряженного состояния поршня двигателя внутреннего сгорания», опубл. 07.12.85 г., авторов Шеховцова А.Ф., Абрамчука Ф.И., Бачевского A.M.), содержащий устройства для размещения и крепления поршня с поршневыми канавками, поршневыми кольцами, пальцем и шатуном, системы водяного и воздушного охлаждения, систему отвода тепла от поршневых канавок через поршневые кольца, радиационный нагреватель, выполненный в виде пакета автономно регулируемых кварцевых инфракрасных ламп накаливания, и измерительную и регистрирующую - аппаратуру. Повышение точности и достоверности испытаний достигают путем измерения локального отвода тепла от каждой из поршневых канавок с помощью системы, выполненной в виде рубашки охлаждения, жестко связанной с поршневым кольцом. Данное устройство также предназначено для исследования теплонапряженного состояния только поршня двигателя, что ограничивает область исследования. Кроме этого, применение кварцевых инфракрасных ламп накаливания не обеспечивает требуемого времени нагрева исследуемого объекта.
Наиболее близким по технической сущности из известных устройств является стенд для исследования теплонапряженного состояния деталей двигателей (см. патент РФ №1012066 A1 МПК G01M 13/00, «Стенд для исследования теплового состояния поршня двигателя внутреннего сгорания», опубл. 15.04.1983 г., авторов Радзивана А.С., Белова В.П., Репина В.В., Исаева Е.В., Донченко А.С., Лизунова А.А. и Морозова В.А.), содержащий раму, нагреватель с зоной нагрева, систему охлаждения и плиту крепления поршня, причем нагреватель выполнен в виде экрана и набора галогенных ламп, установленных на экране против днища поршня. Для приближения условий исследования к реальным стенд снабжен механизмом перемещения плиты крепления поршня из зоны нагрева в зону охлаждения и обратно.
Применение галогенных ламп позволяет значительно увеличить скорость нагрева поршня. Однако использование механизма перемещения и вывода поршня из зоны нагрева в зону охлаждения хотя и обеспечивает нагружение в виде термошока, но не обеспечивают приближение к реальным условиям теплового нагружения поршня. Кроме того, объектом исследования является также только поршень, что сужает область применения стенда.
Технический результат заявляемого стенда заключается в повышение точности испытаний путем приближение распределения температурных полей в головке цилиндров двигателя внутреннего сгорания и ее теплонапряженного состояния к реальному, а также осуществления блоков (набора циклов) нагружения, которое имитирует работу двигателя на переменных режимах.
Технический результат достигается тем, что в стенде для исследования теплонапряженного состояния головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания для приближения к реальным величинам перепада температур на поверхности огневого днища головка цилиндров закреплена через дополнительно установленное проставочное кольцо, которое по форме повторяет верхнюю часть цилиндра двигателя, снабженное трубкой охлаждения периферии огневого днища головки цилиндра проточной водой.
Для фокусировки теплового потока на огневое днище головки цилиндров в плите крепления отверстие выполнено в виде конуса.
Для создания требуемых циклов теплонапряженного состояния головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания система управления снабжена пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором с возможностью управления термонагружением по заданной программе от установленной в головке цилиндров термопары.
Кроме того, для защиты элементов стенда от нежелательного перегрева в экране, раме и плите выполнены каналы охлаждения проточной водой.
Такая совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемый стенд, позволяет приблизить испытания на стенде к реальной работе двигателя внутреннего сгорания. Наличие пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора позволяет задавать различные блоки (наборы циклов) нагружения.
Предложенное техническое решение по сравнению с известными повышает достоверность получаемых результатов по определению долговечности головок цилиндров за счет приближения распределения тепловых полей к реальным при работе двигателя, а также позволяет проводить ускоренную оценку долговечности при использовании циклов нагружения.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:
фиг.1 - изображена схема безмоторного стенда для испытания долговечности и теплонапряженного состояния головок цилиндров;
фиг.2 - электрическая схема стенда;
фиг.3 - действующий образец стенда для исследования теплонапряженного состояния головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания, созданного в лабораторных условиях на кафедре «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых;
фиг.4 - схема установки термопар и распределение температурных полей по поверхности огневого днища головки цилиндров;
фиг.5 - распределение температурных полей вдоль перемычки между клапанами.
Стенд (фиг.1) содержит раму, состоящую из основания 1 и шпилек рамы 2. На шпильки рамы устанавливается нагреватель, выполненный в виде экрана 3 (плита с зеркальной поверхностью, служащая отражателем теплового потока) и плиты 4 с набором галогенных ламп 5, которые образуют зону нагрева. Сверху установлена плита крепления 6, в которой выполнено отверстие в виде конуса для фокусировки теплового потока на огневое днище головки цилиндров. В верхнюю часть отверстия в виде конуса в плите крепления 6 устанавливается проставочное кольцо 7, имеющее канавку для установки медной трубки 8 для подачи охлаждающей жидкости. Верхняя поверхность проставочного кольца 7 выполнена аналогично поверхности верхнего бурта цилиндра. На проставочное кольцо 7 устанавливается головка цилиндров 9 и крепится шпильками (на чертеже не показаны) к плите крепления 6. Экран 3, плита 4 и плита крепления 6 имеют каналы, по которой проходит охлаждающая жидкость. На входе и выходе охлаждающей жидкости из медной трубки 8 установлены термопары (на фиг. не показано) для измерения температуры, а на входе - расходомер (на фиг. не показано) для измерения расхода воды. В огневом днище головки цилиндров 9 установлена термопара 10, соединенная с системой управления.
Галогенные лампы 5 подключены к реле 11 (фиг.2). Реле 11 управляется пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором 12, который связан с компьютером через автоматический преобразователь интерфейсов 13. Термопара 10 обеспечивает обратную связь с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором 12 и подключена к цифровому самописцу 14, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой для передачи его на компьютер.
Стенд работает следующим образом.
На проставочное кольцо 7 устанавливают головку цилиндров 9 и крепят шпильками к плите крепления 6. Для моделирования рабочих нагрузок на головку цилиндров поршневого двигателя момент затяжки шпилек крепления головки цилиндров выбирают в соответствии с моментом затяжки на конкретном двигателе. С помощью нагревателя осуществляют, в соответствии с выбранной программой, тепловое нагружение головки цилиндров 9. Отверстие в виде конуса, выполненное в плите крепления 6, фокусирует тепловой поток из зоны нагрева на огневое днище головки цилиндров. Степень нагрева огневого днища головки цилиндров управляется через термопару 10, которая через реле 11 обеспечивает связь с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором 12 и передает сигнал на галогенные лампы.
Через каналы экрана 3, плиты 4, плиты крепления 6 пропускается охлаждающую жидкость для снижения температуры в деталях, окружающих зону нагрева. Охлаждающая жидкость, проходящая в медной трубке 8, увеличивает перепад температур на огневом днище головки цилиндров (между ее центром и периферией). По показаниям термопар, установленных на входе и выходе медной трубки, а также расходомера, установленного на входе медной трубки, оценивается отведенное тепло от периферии огневого днища головки цилиндров.
Предложенное техническое решение по сравнению с известными повышает достоверность получаемых результатов по определению долговечности головок цилиндров за увеличения перепада температур между периферией и центром огневого днища, а также проводить ускоренную оценку долговечности при использовании специальных циклов нагружения.
В лабораторных условиях на кафедре «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых создан действующий образец стенда для исследования теплонапряженного состояния головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания (фиг.3). Экспериментальные исследования показали, что распределение температурных полей аналогично полям на работающем двигателе (фиг.4, фиг.5): а - данные, полученные на безмоторном стенде, б - данные из литературных источников, полученных при испытаниях двигателей внутреннего сгорания. 15-17 - термопары, установленные на огневое днище головки цилиндров. Натурные испытания подтвердили эффективную работу устройства.