ЦИЛИНДРОВАЯ ВТУЛКА С ТЕПЛОЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ Российский патент 1997 года по МПК F02F1/16 

Предполагаемое изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к производству поршневых двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в конструкции цилиндро-поршневой группы в двигателях с проточной системой охлаждения.

Известны конструкции цилиндровых втулок с теплозащитным покрытием на внешней поверхности, обеспечивающим уменьшение теплоотвода в охлаждающую среду через цилиндровую втулку [1-4] Однако, данные конструктивные решения неприемлемы для цилиндров малоразмерных дизелей, так как требуют увеличения наружных диаметров втулки, и она при этом не вписывается в габариты блок-картера. При уменьшении наружных диаметров втулки на толщину наносимого покрытия снижается ее жесткость, что также неприемлемо, ибо от жесткости втулки зависит ее кавитационная стойкость и ресурс работы всей цилиндро-поршневой группы.

Имеются технические решения, направленные на повышение жесткости цилиндровой втулки путем продольного ее оребрения. Наличие ребер на наружной поверхности, ориентированных соответствующим образом относительно блока цилиндров, позволяет разместить такую втулку в блок-картере средне- и большеразмерных дизелей. Для малоразмерных дизелей типа Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 данное решение неприемлемо, ввиду превышения размеров по ребрам над размерами втулки по посадочным пояскам.

Известны [4] также конструкции цилиндровых втулок с термоизоляционным покрытием, снижающим теплоотвод в охлаждение, но и они неприемлемы для малоразмерных дизелей по причинам, изложенным выше.

К особенностям работы рассматриваемых двигателей относится специфический характер системы охлаждения и жесткое ограничение температурного режима охлаждающей среды (морской воды). Температура воды на выходе из дизеля не должна превышать 55^oC во избежании выпадения солей в полости системы охлаждения и нарушения рабочего цикла. Оптимальным для данного типа дизелей является температурный режим (t_cod=70-80^oC).

Низкий эффективный КПД ( η_e33%) "холодного" двигателя (t_cod=55^oC) по сравнению с "горячим" (t_cod=76-80^oC, η_e36%) связан с повышенными теплопотерями в охлаждение, помимо этого у "холодного" масла и следовательно больших потерь на трение.

Целью предлагаемого изобретения является повышение экономичности и надежности дизель-энергетической установки средств коллективного спасения экипажей морских судов путем частичного повышения термического сопротивления теплоотдачи через стенки рабочего цилиндра, снижение расхода топлива и увеличение за счет этого пути доставки.

Указанная цель достигается тем, что на теплоотводящей поверхности цилиндровой втулки выполняются чередующиеся через равные промежутки пазы, ориентированные по образующей цилиндра, поперечное сечение которых имеет форму кольцевого сектора или сегмента, а длина их короче высоты теплоотдающей поверхности на величину, необходимую для выхода формообразующего инструмента. Глубина пазов не должна превышать величину, исключение которой из значения толщины стенки цилиндра будет угрожать его прочности. Конкретные значения глубины и ширины пазов определяются предельными значениями теплоты, которое должно быть передано охлаждающей воде, и характеристиками теплоизоляционного материала.2 Для обеспечения требуемой жесткости, снижения напряжений, возникающих в покрытии из-за разности коэффициентов линейного расширения основы и покрытия, сохранения цельности покрытий, последние выполняются дискретными по высоте и периметру цилиндра. Равномерность температурного поля внутренней стенки цилиндра обеспечивается тем, что пазы с термоизоляционным покрытием имеют шахматное расположение на теле цилиндра.

Таким образом, отличительными признаками заявляемого объекта от прототипа являются: наличие на поверхности охлаждения исходного диаметра пазов, чередующихся через равные интервалы по образующей цилиндра, заполненных термоизоляционным материалом, например оксидом алюминия или двуокисью циркония; форма поперечного сечения термоизоляционных экранов имеет вид кольцевого сектора или сегмента; экраны дискретны по длине и площади; экраны расположены в шахматном порядке в теле втулки по всей водоохлаждаемой поверхности.

Предлагаемое конструктивное решение поясняется фиг. 1 3. На фиг.1 показаны продольное и поперечное сечение цилиндровой втулки 1 с термоизоляционным экраном в виде кольцевого сектора 2 и сегмента 3.

На фиг. 2 изображено продольное сечение втулки 1 с прерывистыми термоизоляционными экранами 2 по образующей цилиндра на поверхности охлаждения.

На фиг.3 показана цилиндровая втулка 1 с термоизоляционными экранами 2, расположенными в шахматном порядке.

Цилиндровая втулка предлагаемой конструкции была изготовлена для малоразмерного судового дизеля 4Ч 8,5/11 на основе измерения, расчета и анализа температурных полей и тепловых потоков через цилиндровые втулки дизелей в шлюпочном варианте (t_cod=50^oC) и варианте судового вспомогательного (t_cod= 76-80^oC). Исследованы также теплобалансовые характеристики указанных дизелей. В качестве термоизоляционного материала рассматривалось плазменное покрытие из оксида алюминия. Размеры пазов их количество и расстояние между ними были определены расчетным путем.

Экспериментальное исследование температурного состояния объектов проводили термометрирование хромель-капелиевыми и хромель-алюмелиевыми термопарами, изготовленными из стандартной проволоки диаметром 0,23.0,50 мм. Измеряли температуру цилиндровой втулки на тепловоспринимающей и водоохлаждаемых поверхностях, а также на посадочных поясках.

Испытания проводили по режимам, имитирующим условия работы вспомогательной энергетической установки (t_cod=76^oC) и спасательной шлюпки (t_cod=55^oC).

Это преследовало цели сравнения теплопотерь в охлаждение "холодного" и "горячего" двигателей, разность которых составляет поправочную величину, на которую необходимо ограничить теплоотвод.

По результатам экспериментальных исследований следует: максимум отведенной теплоты для "холодного" и "горячего" двигателей составляет соответственно Q'=13540 и Q''=11852 Ккал/час, тогда
ΔQ=Q′-Q″≈ 2000 Ккал/час
По этому значению ΔQ был проведен расчет критического диаметра теплоизоляции на втулке, который подтверждает, что втулка с критическим диаметром теплоизоляции свободно размещается в блок-картере малоразмерных дизелей.

Была также рассчитана экономия расхода топлива, которую определяли из соотношения удельных расходов его для "горячего" и "холодного" двигателей:

b удельный расход топлива, г/л.с.-ч,
Q_н низшая теплотворная способность топлива, Ккал/кг

Экономия топлива составляет: Δb= b^хол-b^гор15,6 г/л.с.-ч.

Использование: изобретение относится к области энергетического машиностроения, и может быть использовано в конструкции цилиндро-поршневой группы для двигателей с проточной системой охлаждения. Сущность изобретения: на наружную сторону корпуса цилиндровой втулки нанесено теплозащитное покрытие, которое выполнено в виде равных и дискретных частей, равномерно расположенных по периметру и высоте втулки, причем каждая часть покрытия размещена в соответствующем углублении, выполненном в корпусе на части дуги по его периметру. Дискретные части покрытия могут быть расположены по поверхности водоохлаждения втулки в шахматном порядке. Покрытие может быть нанесено плазменным напылением. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Цилиндровая втулка с теплозащитным покрытием, содержащая корпус и теплоизоляционное покрытие, выполненное на корпусе с его наружной стороны, отличающаяся тем, что теплоизоляционное покрытие выполнено дискретным с равномерным расположением его равных частей по периметру и высоте втулки, причем каждая часть покрытия размещена в соответствующем углублении, выполненном в корпусе втулки на части дуги по его периметру. 2. Втулка по п.1, отличающаяся тем, что каждая часть покрытия в поперечном сечении выполнена с переменной глубиной, плавно изменяющейся от периферии к центру. 3. Втулка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что части дискретного покрытия расположены по поверхности втулки в шахматном порядке. 4. Втулка по пп.1 3, отличающаяся тем, что покрытие нанесено плазменным напылением.