43. Тепловые нагрузки на детали двигателя и их тепловая напряженность. Тепловой баланс двигателя

1. ТЕПЛОВЫЕ НАГРУЗКИ НА ДЕТАЛИ И ИХ ТЕПЛОВАЯ НАПРЯЖЕННОСТЬ

Под тепловой нагрузкой понимают значение удельного теп­лового потока, передаваемого от рабочего тела к поверхности детали. Теплота передается от РТ к поверхности деталей ради­ацией и теплоотдачей.

Роль радиации особенно велика в дизелях в связи с тем, что в них имеет место преимущественно диффузионное горение, со­провождающееся обильным образованием и последующим ча­стичным выгоранием сажи. Содержание в пламени сажи является

202

причиной высокой степени его черноты, а поэтому высокой излу- чательной способности пламени. Согласно измерениям, тем­пература дизельного пламени превышает значения средней по объему термодинамической температуры, наибольшие значения которой для номинального режима приведены выше (см. табл.

3.4).

Высокие значения температуры пламени и степени его черно­ты определяют высокую долю теплоты, передаваемой излучени­ем, в общем теплообмене (по некоторым оценкам, до 45% и бо­лее).

Локальные тепловые потоки, передаваемые излучением че­рез отдельные участки деталей, зависят от расположения участка по отношению к факелу и поэтому неодинаковы. Например, для дизелей с камерой в поршне некоторые зоны таких деталей, как гильза цилиндра, головка цилиндра и сам поршень, экранирова­ны телом поршня от факела в период наиболее интенсивного излучения.

Интенсивность теплоотдачи определяется в большой мере локальными условиями смесеобразования и тепловыделения. Проведенные исследования выявили, что на распределение тепло­вой нагрузки по деталям оказывают влияние не столько интен­сивность и характер движения заряда в цилиндре и камере сгора­ния, созданные при впуске, сколько движение заряда, иницииру­емое при сгорании, а также распределение сгорающего топлива по объему камеры сгорания, зависящее от количества и рас­положения топливных струй, размеров и конфигурации камеры сгорания. Последние факторы определяют локальную темпера­туру заряда.

Выявлены нестационарность теплообмена в поршневых дви­гателях и существенно неравномерное распределение тепловой нагрузки по деталям. Нестационарность теплообмена определя­ется переменностью во времени всех факторов, влияющих на радиацию и теплоотдачу (параметров состояния заряда, его ско­рости, в том числе пульсационной ее составляющей, структуры пламени и т. д.). Для характеристики нестационарности теплооб­мена отметим, что максимальное значение удельного теплового потока может в несколько десятков раз превышать его среднее по времени значение. Наибольшая часть теплоты передается в пери­од интенсивного сгорания. Так, примерно за ^г/Ю времени цикла (от 10° до ВМТ до 60° после ВМТ) от заряда к стенкам деталей передается до 70% всей теплоты, теряемой за цикл в четырех­тактном дизеле автотракторного типа. Если определить теплоту, передаваемую за отдельные такты цикла, то окажется, что основ­ная часть теплоты передается за такт расширения (рабочий ход) — до 90%. Доля теплообмена за такт выпуска в большинст­ве случаев не превышает 10%.

203

Рис. 4.8. Распределение тепловой нагрузки по деталям дизеля: а - поршень; б - головка цилиндра; в - гильза цилиндра; R_x - расстояние до зоны измерения от оса цилиндра R=В/2; /_гх - расстояние до зовы измерения от верхнего торца гильзы; 1_Т - длина гильзы

Рис. 4.8 иллюстрирует неравномерность распределения сред­ней по времени тепловой нагрузки по поверхностям различных деталей. В конкретном случае по поверхности поршня удельный тепловой поток изменяется в 2,5 раза, по поверхности головки цилиндра — в 2,5 раза, по поверхности гильзы цилиндра — в 2,3 раза (в пределах зон измерения). Максимальное значение тепло­вой нагрузки в автотракторных дизелях с наддувом достигает 600 кВт/м² и более. Максимальная нагрузка имеет место, как прави­ло, на номинальном режиме работы двигателя.

В дизелях с камерой сгорания в поршне неравномерность распределения тепловой нагрузки растет при уменьшении от­носительного диаметра камеры сгорания. В дизелях с разделен­ными камерами сгорания неравномерность распределения удель­ного теплового потока выше, чем в дизелях с неразделенной камерой сгорания. Уровень тепловых нагрузок в большой мере определяется степенью форсирования (литровой мощностью). Он, как правило, выше в двухтактных двигателях. Тепловая нагрузка заметно возрастает при увеличении нагрузки, частоты вращения, р_х и Г_ж. При заданной внешней нагрузке уменьшения тепловой нагрузки можно достигнуть повышением а путем соот­ветствующего выбора системы наддува и введения промежуточ­ного охлаждения наддувочного воздуха. С ростом угла опереже­ния впрыскивания (зажигания) тепловая нагрузка также увеличи­вается вследствие повышения максимальных давления и тем­пературы цикла.

С течением времени после начала эксплуатации нового или

204

отремонтированного двигателя тепловые потоки, передаваемые от РТ к деталям, уменьшаются вследствие отложения на деталях продуктов неполного окисления, крекинга и полимеризации сма­зочного масла и топлива. В дальнейшем наблюдается тенденция к стабилизации передаваемых потоков.

При работе на переменных (неустановившихся) режимах пе­редаваемые от РТ к детали тепловые потоки изменяются не только в течение каждого цикла, но также от цикла к циклу. Резкое изменение средних за цикл тепловых нагрузок во времени вследствие разгона, нагружения, разгрузки, остановки двигателя известно под названием теплового удара. Характер и частота тепловых ударов оказывают влияние на надежность работы дви­гателя.

Термин тепловая напряженность используется для выраже­ния комплекса явлений, связанных с тепловым состоянием дета­лей двигателя. Тепловое состояние деталей влияет на прочност­ные характеристики материалов, из которых они изготовлены, на интенсивность отложений на деталях, на условия их смазки, трения, износа, а также на напряжения в деталях. Из опыта известно, что для предотвращения потери подвижности кольца в канавке вследствие отложений кокса температура вблизи канав­ки под верхнее кольцо не должна превышать 220 °С. Для предот­вращения интенсивного закоксовывания отверстий распылителя температура его носика не должна превышать 180...200 °С. Эти цифры следует рассматривать как ориентировочные, так как интенсивность отложений зависит не только от температуры, но также от конструкции деталей, других (кроме температурных) условий их работы, качества материалов (в том числе топлива и смазочного масла), технологии обработки деталей и т. д.

Температура деталей влияет на рабочую температуру сма­зочного масла, а следовательно, на его вязкость, толщину слоя смазки, разделяющего детали трущейся пары, характер трения". Последний вместе с износными характеристиками материалов, которые также зависят от температурного состояния деталей, определяет темп износа. При критических условиях возможен переход жидкостного трения в граничное или даже полусухое.

Амплитуда изменения напряжений от сил давления газов меньше, чем амплитуда термических напряжений, но частота изменения напряжений от сил давления газов существенно выше. Поэтому и они могут играть существенную роль в усталостном разрушении детали. Для ряда деталей определяющую роль игра­ют термические напряжения, и при критическом их уровне деталь выдерживает недостаточное количество тепловых ударов, что ограничивает срок ее службы.

Степень форсирования дизеля наддувом также ограничивает­ся тепловой напряженностью его деталей. Наиболее теплонап­ряженными являются головка цилиндра и поршень. Тепловое

205

состояние гильзы цилиндра также важно, так как оно существен­но влияет на тепловое состояние поршня.

Наддув приводит к увеличению тепловых нагрузок на детали

и, как следствие, к увеличению их температур и градиентов. Наиболее велики тепловые нагрузки в центральной части головки цилиндра. Тепловые нагрузки на поршень несколько ниже, а на гильзу цилиндра меньше, чем на головку, в 4...5 раз. Измерения, выполненные на деталях дизеля ЯМЗ с наддувом, выявили, что тепловые нагрузки различных зон деталей могут отличаться в 12 раз и более. Неравномерное распределение тепловой нагрузки на детали вместе с неодинаковым термическим сопротивлением раз­личных зон деталей имеет следствием неравномерное распределе­ние температуры в деталях. Так, перепады температуры вблизи «огневой» поверхности чугунной головки цилиндра могут до­стигать 180 °С, поршня из алюминиевого сплава — 100 °С, чу­гунной гильзы — 70 °С. Практические испытания показали, что максимальная температура чугунной головки цилиндра и по­ршня из алюминиевого сплава не должна превышать 350 °С, головки цилиндра из алюминиевого сплава — 240 °С, гильзы цилиндра — 160...180 °С.

Для гильзы цилиндра ограничивается и минимальная тем­пература в связи с ее влиянием на условия конденсации водяного пара, особенно при применении топлив, содержащих серу. Конеч­но, и приведенные цифры должны рассматриваться как ориен­тировочные, так как на предельно допустимую температуру вли­яют конструкция и конкретные условия работы детали. Послед­нее может быть проиллюстрировано приведенными выше раз­личиями в максимально допустимой температуре поршней и го­ловок цилиндров, изготовленных из алюминиевого сплава. Для головок цилиндра по условиям нагружения предельная темпера­тура значительно ниже.

Методы управления тепловой напряженностью, естественно, связаны с факторами, ее определяющими. Конструкциям дета­лей, применяемым материалам и условиям охлаждения соответ­ствуют конкретные допустимые уровни тепловых нагрузок. Справедливо и другое утверждение — определенному уровню тепловых нагрузок должен соответствовать правильный выбор прочих факторов, обусловливающих тепловую напряженность деталей.

В последние годы предпринимаются попытки обеспечения надежной работы двигателей с пониженным отводом теплоты при существенно более высокой температуре поверхности гильзы цилиндра и использовании специальных смазочных материалов.

Существенному снижению температуры поршня, особенно критических его зон, способствует применение охлаждаемых кон­струкций. Снижению температуры и градиентов температур в де­талях способствуют теплоизолирующие покрытия. При этом вы- 206

сокими оказываются температуры и градиенты температур в са­мом покрытии, отсюда повышенные требования к их свойствам. Заметного снижения тепловой напряженности можно достигнуть и путем рационального конструирования системы охлаждения. При этом, как правило, системы жидкостного охлаждения эффек­тивнее систем воздушного охлаждения. Под эффективностью здесь понимается свойство обеспечения заданного теплового со­стояния при минимальных затратах работы на привод агрегатов системы охлаждения.

При конструировании систем охлаждения стремятся к увели­чению интенсивности охлаждения наиболее нагретых участков без увеличения общего количества отводимой в систему теплоты. В частности, заметного снижения температуры в перемычке меж­ду клапанами головки цилиндра можно достигнуть, используя для подвода жидоости сверленые каналы.

В процессе эксплуатации тепловая напряженность двигателя может возрасти вследствие:

• эксплуатации дизеля в условиях высокогорья или чрезмер­но высоких температур окружающей среды;

• отложения накипи в рубашках охлаждения двигателей с жидкостным охлаждением или загрязнения оребрения двига­телей с воздушным охлаждением;

• нарушений в нормальном протекании процесса сгорания вследствие использования топлив с несоответствующими двига­телю физико-химическими и моторными свойствами и несоб­людения оптимальных регулировок систем питания, впрыскива­ния и зажигания.

При необходимости эксплуатации дизелей в условиях пони­женной плотности воздуха целесообразно в соответствии с реко­мендациями завода-изготовителя пересмотреть величину пре­дельной подачи топлива. В эксплуатации очень важно сохранять неизменными тепловую эффективность и гидравлические сопро­тивления охладителя наддувочного воздуха.

Важное значение имеет также сохранение условий охлажде­ния деталей благоприятными в течение всего срока эксплуатации. Для этого, в частности, необходимо избегать заметных отложе­ний в элементах системы охлаждения.

Безопасные предельные степени форсирования дизеля надду­вом в большой мере зависят от принятого способа смесеобразо­вания или типа камеры сгорания. При большой величине d^/D камеры сгорания обеспечивают более равномерное распределе­ние тепловой нагрузки по их поверхности и, как следствие, сни­жение перепадов температуры. Это обеспечивает возможность достижения более высокой степени форсирования наддувом без превышения максимально допустимых температур деталей.

207

4.3.2. ТВПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

Тепловой баланс двигателя, или внешний тепловой баланс, представляет собой определенное опытным путем распределение теплоты, вводимой в двигатель с топливом, на полезно использу­емую теплоту и отдельные виды потерь:

во ⁼ бе + бгаи + Qm + Qna + Qx.c. "t" богач

где Q₀ — количество теплоты, вводимой в двигатель с топливом за определенный отрезок времени, например за 1 ч: Q₀=G_rH_u; Q_e — количество теплоты, превращенной в полезную работу; Q_e=G?H_ar}_e; g_OM — количество теплоты, передаваемой охлажда­ющей ЖИДКОСТИ, Qmл^^-охл^ип ^м) ЗДвСЬ Сцц, Gout удель­ная теплоемкость и расход охлаждающей жидкости; <_юи1_и — температура охлаждающей жидкости соответственно на выходе и входе системы; Q_M — количество теплоты, передаваемой сма­зочному маслу (этот член теплового баланса выделяется обычно при наличии на двигателе автономного теплообменника для ох­лаждения смазочного масла и определяется аналогично Q^, в большинстве случаев включается в остаточный член теплово­го баланса); Qnv — потеря теплоты с ОГ; Q_n3=G_r[M₂(iic^)t_r— —M_t (jic_p)Q; Qg__c — теплота, не выделившаяся в двигателе вслед­ствие неполноты сгорания. Для ее определения необходимо знать состав продуктов сгорания и теплоту сгорания каждого из про­дуктов неполного окисления топлива. При а>1 этот член не определяется, и соответствующая ему часть теплоты включается в бост! при а<1 можно вычислить количество теплоты, которое теоретически не может выделиться из-за недостатка воздуха, по выражению Q_xm=AH_aG_T. При этом теплота, соответствующая разнице между 6*._e и О™, также включается в Q^. В Q^ кроме О». О,- или бя._в—б™ входит также теплота, рассеиваемая в окружающую среду внешними поверхностями двигателя и его агрегатов, а также теплйта, соответствующая кинетической энер­гии ОГ. На величину Q_m, естественно, влияет погрешность опре­деления составляющих теплового баланса. Теплоту бои, Q_M и Q„3 используют при расчете систем охлаждения, смазки и над­дува.

По величине Q^_e можно судить о степени неполноты сгора­ния и наметить пути повышения теплоиспользования, по вели­чине же Qovt — лишь ориентировочно о резервах повышения теплоиспользования путем более рационального охлаждения де­талей. Последнее связано с тем, что в Q_ora входит не только теплота, передаваемая от газов в цилиндре (уменьшением кото­

208

рой можно повысить но и теплота, передаваемая от газов охлаждающей жидкости в выпускном канале (а в случае охлаждаемого выпускного трубопровода — ив трубопроводе), а также значи­тельная часть теплоты, соответствующей механическим потерям (остальная часть последней передается через масло и рассеивает­ся наружными поверхностями двигателя). На величину щ влияет не только общее количество теплоты, переданной от РТ охлажда­ющей жидкости, но и зависимость этих потерь от положения поршня. Поэтому для анализа влияния на т/₁ тепловых потерь привлекается внутренний тепловой баланс, дающий представле­ние о динамике этих потерь и преобразования теплоты в работу (см. § 3.6).

Тепловой баланс можно определить в процентах от всего количества введенной теплоты. Тогда

100 ~ Ц_с ~Ь Ц_01л Q_M “Ь ?ILC + 9«сг>

где q_e=Q_e 100/Q₀; q_m*=Qw 1ОО/0_о; = 100/£>_о и т. д.

Как видно из графика (рис. 4.9, а), на режиме полной нагруз­ки наиболее весомыми членами теплового баланса являются потери с ОГ и полезно используемая теплота (здесь q^c включено в ?«т)- Доля теплоты, передаваемой охлаждающей жидкости, меньше. Это связано частично с тем, что объектом рассмотрения является дизель с наддувом. Зависимости q_e от режима работы рассмотрены ранее. Потеря д_охл уменьшается с ростом нагрузки

Рис. 4.9. Тепловой баланс автотракторного дизеля с газотурбинным наддувом: а - в функции мощности при n =* coast; б - в функция часто­ты вращения при расположении рейгв топливного насоса на упоре

209

в частоты вращения. Последнее связано с преобладающим в лая­нием уменьшения времени теплообмена. Доля потерь с ОГ мало зависит от нагрузки и, как правило, увеличивается с ростом п. На характер q_Tt3 =/(л), естественно, влияет уменьшение времени охлаждения продуктов сгорания с ростом п. Характер изменения 9_М с режимом работы можно объяснить изменением доли ин­дикаторной работы, затрачиваемой на механические потери. Те­плота боя мало зависит от режима работы, поэтому воз­растает при уменьшении частоты вращения и особенно нагрузки двигателя.