Модифицированный квазистационарный метод изучения изменения температур перехода поршней дизельного двигателя, покрытых теплозащитными материалами

Цель – выявить сложные переходные пути теплового потока в камере сгорания двигателя, значительно улучшить модели теплового потока дизельного двигателя и изучить влияние оксидного алюминиевого покрытия гальваноплазменной модификацией на кратковременные и долгосрочные реакции головки поршня. Анализ работы поршня дизельного двигателя с покрытием из алюминиевого сплава проведен с помощью модифицированного квазистационарного метода и метода конечных элементов. Представлен термодинамический анализ с применением уравнений энергии и состояния с соответствующей теплопередачей газа. Зависящие от времени граничные условия задавались на газообдуваемых поверхностях двумерных переходных моделей конечного элемента компонентов камер сгорания. Показано, что данная методология может раскрыть сложные переходные пути теплового потока в камерах сгорания двигателя и детали распределения тепловых потерь в различных охлаждающих средах. Численное моделирование показало, что увеличение максимальной температуры относительно поршня без покрытия составляет 64,3% для покрытия толщиной 0,13 мм. Испытания показали, что покрытия могут выдерживать до 280 термоциклов. Установлено, что прогнозы численного моделирования находятся в хорошем согласии с результатами экспериментов, которые были выполнены для отремонтированных поршней. В результате опытной эксплуатации двигателей Cummins КТА 38 на Черногорском и Восточно-Бейском угольных разрезах двигатель, имеющий после ремонта поршень с нанесенным гальваническим плазменным методом алюминиевым покрытием, находился в эксплуатации 2 года и 3 месяца при установленном межремонтном ресурсе 18000 моточасов. Таким образом, предлагаемая методика позволяет уменьшить изменения температуры в поршне и тем самым увеличить срок службы поршней двигателя, покрытых с использованием технологии термического барьерного покрытия.

1. Пылев В.А., Белогуб А.В., Ободец Д.К. Прогнозирование ресурсной прочности поршня легкомоторного авиационного двигателя // Авиационно-космическая техника и технология. 2013. № 9. C. 177–182.

2. Федоров В.А. Модифицирование микродуговым оксидированием поверхностного слоя деталей // Сварочное производство. 1992. № 8. С. 29–30.

3. Shakhrai S.G., Nemchinova N.V., Kondrat’ev V.V., Mazurenko V.V., Shcheglov E.L. Engineering solutions for cooling aluminum electrolyzer exhaust gases // Metallurgist. 2017. Vol. 60. No. 9-10. P. 973–977. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0394-z

4. Ac’imovic’-Pavlovic’ Z., Raic’ K.T., Belic’ I. Modification of piston surfaces by compressed plasma flow // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2011. Vol. 47. No. 6. Р. 797–802. https://doi.org/10.1134/S2070205111060190

5. Моргунов В.В., Файнштейн А.Л., Шкилько А.М. Математическая модель процессов электронно-лучевой очистки дымовых газов от SO2, NOX, ПАУ, ЛОС // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2011. Т. 3. № 11. C. 25–30.

6. Свирский Ю.А., Баутин А.А., Лукьянчук А.А., Басов В.Н. Приближенный метод решения упругопластической задачи // Вестник Московского авиационного института. Серия: Авиационная и ракетно-космическая техника. 2020. Т. 27. № 2. С. 61–70. https://doi.org/10.34759/vst-2020-2-61-70

7. Семенова А.С., Кузьмин М.В. Подбор дискретности конечно-элементной сетки для вращающихся деталей межроторного подшипника газотурбинного двигателя с учетом шероховатости поверхности // Вестник Московского авиационного института. Серия: Авиационная и ракетно-космическая техника. 2020. Т. 27. № 1. С. 171–179. https://doi.org/10.34759/vst-2020-1-171-179

8. Bohac S.V., Baker D.M., Assanis D.N. A global model for steady state and transient S.I. engine heat transfer studies // International Congress & Exposition. 1996. Р. 196–214. https://doi.org/10.4271/960073

9. Rifat K., Morel T. Thermal shock calculations in I.C. engines // SAE Transactions. 1987. Vol. 96. Section 4. Р. 130–148. [Электронный ресурс]. URL: https://www.jstor.org/stable/44470831 (29.06.2020).

10. Lin C.S., Foster D.Е. An analysis of ignition delay, heat transfer and combustion during dynamic load changes in a diesel engine // SAE International Fall Fuels and Lubricants Meeting and Exhibition. 1989. https://doi.org/10.4271/892054

11. Рябко Е.В. Математическая модель и результаты расчета температуры стенки, образующей камеру сгорания дизельного двигателя горно-транспортной машины // Известия Уральского государственного горного университета. 2018. Вып. 2. С. 107–113. https://doi.org/10.21440/2307-2091-2018-2-107-113

12. Morel T., Wahiduzzaman S., Fort E.F., Keribar R., Blumberg P.N. Methods for heat transfer and temperature field analysis of the insulated diesel: Phase 3, Final report // Ricardo-IT1 Westmont. 1988. 169 p. [Электронный ресурс]. URL: https://www.researchgate.net/publication/255071748_Methods_for_heat_transfer_and_temperature_field_analysis_of_the_insulated_diesel_Phase_3_Final_report (23.06.2020).

13. Марченко А.П., Пылѐв В.В. Методика моделирования нестационарного высокочастотного температурного состояния поршня двигателя внутреннего сгорания // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. Раздел: Транспортное и энергетическое машиностроение. 2013. T. 5. № 4. С. 43–48.

14. Rakopoulos C.D., Mavropoulos G.C. Modelling the transient heat transfer in the ceramic combustion chamber walls of a low heat rejection diesel engine // International Journal of Vehicle Design. 1999. Vol. 22. No. 3-4. P. 195– 215. https://doi.org/10.1504/IJVD.1999.001865

15. Сергеев С.В., Аль-Бдейри М.Ш., Дубровина Н.А. Модификация поверхности алюминиевого сплава AK12MMGH методом микродугового оксидирования с целью повышения эксплуатационных показателей // Вестник Московского авиационного института. Серия: Авиационная и ракетно-космическая техника. 2020. Т. 27. № 1. С. 217–223. https://doi.org/10.34759/vst-2020-1-217-223

16. Платонов К.Ю., Хмелев Р.Н. Математическое моделирование процесса пуска малоразмерного дизельного двигателя // Роль опорного вуза в развитии транспортно-энергетического комплекса Саратовской области (ТРАНСЭНЕРГО К-2018): сб. науч. тр. по матер. Всерос. науч.-практ. конф. (г. Саратов, 16–17 мая 2018 г.). Саратов: Изд-во СГТУ, 2018. С. 153–155.

17. Sergeev S., Albieri M.Sh., Yatsenko V., Dubrovina N. Theoretical and practical study of possibility to decrease thermal stress in pistons of internal combustion diesel engine by using galvanic plasma modification // International Journal of Advanced Science and Technology. 2019. Vol. 28. No. 8. P. 550–562.

18. Аль-Бдейри М.Ш.Х. Обзор методов гальваноплазменной модификации для производства анодированных покрытий на сплавах алюминия: микроструктура, свойства и применение // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2020. № 3. С. 51–59.

19. Карташов Э.М., Партон В.З. Динамическая термоупругость и проблемы термического удара // Итоги науки и техники. Серия: Механика деформируемого твердого тела. М.: ВИНИТИ, 1991. Т. 22. С. 55–127.

20. Mura T. Dynamical thermal stresses due to thermal shocks // Research Report. Faculty of Eng. Meiji University. 1956. Nо. 8. P. 63–73.