Особенности нестационарного контактного теплообмена в сопряжении седло-фаска клапана

Выпускной клапан ДВС является самой теплонапряженной деталью двигателя. До 90 % тепла, подведенного к клапану, отводится при контактировании фаски клапана с фаской седла. По данным Г.Б. Розенблита, использование зависимости В.М. Попова в данном случае приводит к значительным ошибкам при определении интенсивности теплоотдачи между ними. Это определяется значительной нестационарностью данного процесса теплопередачи под действием переменного давления, ударной нагрузки при посадке и наличия инородных пленок на контактирующих поверхностях.

Путем анализа размерностей Г.Б. Розенблитом получена следующая зависимость:

. (1)

Здесь: a_кт - искомый коэффициент теплоотдачи в контакте;

d_эк - эквивалентная толщина межконтактного зазора;

l_c - теплопроводность среды в зазоре (воздух или продукты сгорания), определяющая температура - средняя между фасками седла и клапана;

P - контактное давление, P = N / S _п;

N - нагрузка, S _п - площадь притирочного пояска.

. (2)

Здесь: d _кл - средний диаметр пояска клапана;

h _п - длина притирочного пояска;

a - угол скоса тарелки клапана;

d _т - внешний диаметр тарелки клапана;

d _г - диаметр горловина канала;

d _c - диаметр стержня клапана;

P _г - давление газа в цилиндре;

P _т - давление газа в коллекторе;

P _з.пр. - давление от усилия предварительной затяжки клапанной пружины.

s_в - предел прочности менее пластичного материала (клапанная сталь).

l_пр - приведенный коэффициент теплопроводности контактирующей пары с учетом пленки сажи:

, (3)

Толщина пленки обычно составляет 1…3 мкм, а ее теплопроводность - 0,5…0,6 Вт/м²К.

Для d_эк Розенблит дает следующую зависимость:

. (4)

Вторая скобка учитывает относительное сближение поверхностей при сжатии.

Из обработки результатов многочисленных экспериментов:

, (5)

для выпускного клапана: A ₁=1830, A ₂=15,6;

для впускного: A ₁=3420, A ₂=1,30.

Коэффициенты в приведенной зависимости таковы, что интенсивность теплообмена для впускного клапана значительно выше, чем для выпускного, что объясняется значительно меньшим коррозионным износом поверхностей контакта и отсутствием паразитных пленок.

После несложных математических подстановок и действий окончательно выражение для контактного коэффициента теплоотдачи приводится к виду:

. (6)

Зависимость (6) справедлива в достаточно узком диапазоне изменения комплексных параметров P /s_в и l_с/l_пр, подтвержденном экспериментально. Она годна только для определения интенсивности теплообмена на фасках седла и клапана.