книги из ГПНТБ / Эксплуатация корабельных двигателей внутреннего сгорания лекции
..pdfCw - тепло
емкость воды, равная
I ккал/кгс град;
t w/ t Wa - темпе
ратура воды на входе и на выходе дизеля.
Формула (8.1) по казывает, что одно и тоже количество тепла
можно отводить при разных величинах & w
Рис. 8.2. Зависимость количества
тепла, отводимого с водой Qw ,
и gc от числа оборотов при ра боте двигателя 12ДЙ 23/30 по винтовой характеристике (по
данным завода-изготовителя)
и Atw .Лучше охлаждать
дизель большим количе ством теплой воды, под
держивая Дt w постоянной. Нормальная раз
ность температур Atw
должна быть в следующих
пределах:
удизелей с проточ
ной системой охлажде ния - 15-20°С;
удизелей с замкну
той системой охлажде
ния - 7-15°С.
Удельная произво дительность g w во дяных насосов с 50^-ным запасом при указанных значениях Atw составляет 3060 л/л.с. ч.
Определяющими факторами при выборе оптимального тем
пературного режима охлаждения дизеля являются: эффектив
238
ная мощность, экономичность, температурные напряжения и износ деталей.
§ 2. Способы охлаждения дизелей и их сравнительная оценка
Вкорабельных дизелях применяют жидкостные системы
охлаждения, которые выполняются проточными и замкнутыми.
При проточной системе двигатель охлаждается заборт ной морской водой, которая содержит большое количество
солей. Это не дает возможности поддерживать оптимальный
температурный режим охлаждения дизеля. Температура выходя щей воды из дизеля не должна быть выше 45-55°С во избежа
ние усиленного отложения солей (накипи) на стенках охлаж даемых деталей. Температура забортной воды изменяется в широких пределах (от +2 до +30°С) в зависимости от вре
мени года и района плавания, что приводит к большим пе репадам температур в стенках деталей, доходящих до 40°С.
Низкая температура стенок цилиндров приводит к кон
денсации паров воды, продуктов сгорания и к образованию кислот, вызывающих коррозионный износ рабочей поверхности втулок цилиндров. Стенки втулок и блоков цилиндров со стороны полости охлаждения подвергаются интенсивному раз
рушению от действия электрохимической коррозии.
Внастоящее время для охлаждения корабельных дизелей преимущественное распространение получили замкнутые (двухконтурные) системы. При этих системах дизель охлаждается” гресной водой, циркулирующей в замкнутом контуре. Это по
зволяет поддерживать оптимальный температурный режим охлаж
дения. Температуру пресной воды на выходе из дизеля можно поддерживать в пределах 75-90°С при перепаде температур
не более 15°С.
Повышение температуры позволяет снизить потери тепла
вохлаждающую воду, повысить экономичность дизеля и умень
239
шить износ цилиндров. Уменьшение перепада температур
снижает температурные напряжения в деталях цилиндра.
Наличие двух контуров в системе охлаждения дизеля позво
ляет добавлять в пресную воду специальные присадки, защи щающие поверхности втулок цилиндров со стороны полости
охлаждения от действия кавитационной эрозии и электрохими
ческой коррозии.
§3. Влияние режима охлаждения на мощность
иэкономичность двигателя
Режим охлаждения дизеля характеризуется температурами
воды на входе t w< °С и на выходе |
t w^°C из дизеля, раз |
|
ностью температур |
At4N=tWitW( |
°С и давлением воды в |
системе охлаждения |
pw кгс/смг. |
|
Влияние режима |
охлаждения на мощность N e л.с., |
|
экономичность кгс/эл.с.-ч,тепловую напряженность, усло
вия смазки и износ деталей определяется изменением темпе
ратуры стенок цилиндров и поршней при изменении темпера туры охлаждающей воды.
I. Влияние температуры выходящей из дизеля воды tW(i на теплоотдачу в воду
Опытами [4] установлено, что с повышением температу
ры вода выходящей из двигателя |
°С, |
теплоотдача в |
|
воду |
ккал/ч уменьшается. Изменение |
количества тепла, |
|
отдаваемого в воду, при постоянной нагрузке дизели в за висимости от температуры воды tw2 происходит по линейно
му закону (рис. 8.3). На каждые 10°С отклонения темпера туры охлаждающей вода от 60°С количество отдаваемого в воду тепла изменяется^ на 4-5$ [41.
240
2. |
Влияние темпера |
48 |
--- 1 |
|
|
|
||
|
|
|
|
— |
|
|
|
|
туры охлаждающей воды |
Q-4C ц |
к |
/ч |
|
|
|
||
46 |
|
|
|
|
|
|||
■fcWi на |
температуру |
|
^ п = |
ё О . Оо. |
мин |
|||
|
|
|||||||
деталей дизеля |
\К |
|
|
|
|
|
||
Закон изменения |
42 |
|
об/juu-t |
|
|
|||
п = 4600 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
4 * ^ |
|
||
температур на поверх |
40 |
|
|
|
1tw«, *с |
|||
ности поршня t n и |
|
|
|
|||||
8 30 ko |
|
|
|
|||||
втулки |
цилиндра taT |
|
|
|
||||
50 |
60 |
70 |
80 |
90 -100 |
||||
от tw |
также имеет |
Рис. 8.3. Зависимость коли |
||||||
линейный вид (рис.8.4). |
||||||||
чества |
тепла, |
отводимого с |
||||||
С повышением температуры |
водой |
Qw |
от |
tw |
[4] |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
охлаждающей воды температура деталей возрастает. Для
четырехтактных дизелей изменение температуры на поверх
ности втулки цилиндра |
|
At6T~ 0 , Ы А „ г °С , |
(8.2) |
где AtЬт- приращение температуры на поверхности втулки цилиндра;
приращение температуры охлаждающей воды.
Для двухтактных двигателей изменения температуры сте нок деталей отличаются от четырехтактных , так как здесь сказывается влияние продувочного воздуха. Однако ука занной зависимостью (8.2) с достаточной точностью можно пользоваться и для примерной оценки изменения температу ры стенок втулок цилиндров двухтактных дизелей.
3. Влияние температуры охлаждающей воды на параметры рабочего процесса дизеля
Влияние температуры выходящей из дизеля воды t Wa
на параметры рабочего процесса показано на рис. 8.5.
С повышением tWz возрастает температура стенок цилиндра.
Рост температуры стенок цилиндра вызывает:
I) повышение температуры подогрева воздуха от
стенок цилиндров, увеличение температуры начала сжатияТа
241
Рис. 8.4. Зависимость |
температуры на поверхности деталей и |
перепада |
температур |
||||
по толщине |
стенки |
цилиндра двигателя ЧН |
15/18 о-" +w a) t n - |
поршня; |
6) |
t r0 - |
|
головки; в) |
Тат - |
втулки |
цилиндра; г) |
/\tCT перепад температур |
по толщине |
стенки |
|
|
цилиндра (по, данным инженера Р.В.Казачкова) |
|
|
|
|||
и, как следствие, умень
шение коэффициента напол
нения |
_ |
Pg 4~ku, |
j |
«~гч: pKUiTa |
|
||
|
|
||
Уменьшение |
yi u приводит |
||
к снижению циклового |
за |
||
ряда воздуха & £ = \ * киД н и, при постоянной цикло
вой подаче топлива
Cr!J=const-K уменьшению коэффициента избытка воз-
ДУха < х = -Д т т - ;
|
с-т Ь0 |
|
|
|
|
|
2) уменьшение пе |
|
|||
риода |
задержки самовос |
|
|||
пламенения топлива |
, |
|
|||
так как топливо впрыски |
|
||||
вается в среду, имеющую |
|
||||
более высокую температу |
|
||||
ру. Уменьшение |
|
при |
|
||
водит к снижению макси |
|
||||
мального давления цикла |
|
||||
р2,скорости нарастания |
|
||||
давления Др/Дсх° |
и |
|
|||
степени повышения дав |
|
||||
ления 7L •, |
|
|
|
||
3) |
повышение темпе |
||||
ратуры выпускных газов |
|
||||
t r°C ?которое происхо |
Рис. 8.5. Зависимость пара |
||||
дит за счет увеличения |
|||||
метров рабочего процесса |
|||||
температуры в начале |
|
двигателя Ч 15/18 от t W2 |
|||
|
|
||||
сжатия Т а К , |
макси |
|
|||
мальной температуры |
|
|
|||
цикла |
Т г К |
и количе- |
|
||
243
чества тепла, отводимого с выпускными газами Q r :
|
4) |
увеличение меха |
|
|
нического к. п. д. дизеля |
||
|
X I которое происходит за |
||
|
счет уменьшения потерь на |
||
|
трение. |
|
|
|
Как показывают опыты |
||
|
[2] , \_4], наиболее резкое |
||
|
снижение работы трения про |
||
|
исходит при повышении тем |
||
|
пературы выходящей из |
||
|
дизеля воды до 80°С |
||
Рис. 8.6. Зависимость потерь |
(рис. 8.6). Степень пони |
||
жения мощности трения |
|||
на трение Ртр от -tWa L2] |
|||
зависит от конструктивных
особенностей двигателя,
числа оборотов и вязко-
'стно-температурной ха рактеристики смазочного
масла. Зависимость вяз кости масла от темпера туры показана на рис. 8.7.
При температуре охлаждающей воды 80-90°С температура рабочей поверхности втулки ци линдра равна 110-П5°С, средняя температура
масла в зазоре между
поршнем и втулкой - 120-125°С. При этой
температуре вязкость
масла имеет минималь
ное значение. 244
Рис. 8.7. Зависимость вязкости смазочных масел от температуры:
I) Ж - 22; 2) автол - ID; А -
зона резких изменений вязкости. Б - оптимальная рабочая зона [4]
В паре "поршень-втулка" вязкостное трение имеет суще ственное значение. Сила трения Ртр между поршнем и
втулкой равна
|
кгс , |
(8.3) |
где |
- абсолютная вязкость масла, |
кгс-с/м2; |
F |
- величина трущейся поверхности, м2; |
|
ст - средняя скорость поршня, м/с;
6 - радиальный зазор между поршнем и втулкой, м.
Изменение |
величины радиального зазора 6 между поршнем |
и втулкой |
при увеличении температуры охлаждающей воды |
зависит от материала, из которого изготовлены втулка цилиндра и поршень. Зазор может несколько увеличиваться,
если коэффициент линейного расширения втулки и поршня
имеет одинаковое значение, или уменьшаться, если коэффи циент расширения материала поршня значительно больше,
нежели втулки цилиндра. При F c m =const |
сила трения |
|
Ртр= const П |
особенно резко уменьшается при повышении |
|
6 |
|
|
температуры и достигает минимального значения при tWe=
= 80 С, когда вязкость масла имеет минимальную величину. Если учесть, что из общих потерь на трение до 70% прихо
дится на преодоление трения |
между поршнем и втулкой |
||||
цилиндра, |
то |
станет понятным рост механического |
|||
к. п. д. |
м |
с повышением температуры охлаждающей воды. |
|||
4. |
Влияние температуры охлаждающей |
воды на |
|||
|
|
индикаторные показатели дизеля |
|||
Изменение индикаторного к. п. д. уц |
, мощности Nv |
||||
и удельного расхода |
топлива |
g L при повышении выходящей |
|||
из дизеля воды tW2 |
определяется взаимным увеличением |
||||
доли тепла, используемой на повышение индикаторной работы, и уменьшением коэффициента наполнения г[ . Подавляющее
245
число опытов регистрирует некоторое снижение индикаторных показателей при увеличении температуры выходящей из дизе ля воды.
5.Влияние температуры охлаждающей воды на мощность
иэкономичность дизеля
Сповышением температуры выходящей из дизеля воды tWj
рост механического к. п. д. г[м происходит быстрее,
чем изменение индикаторного к. п. д. г ц . Поэтому во всех
случаях повышение температуры t |
вызывает |
увеличение |
|
эффективного к. п. д. |
|
эффективной |
мощности |
Ne=i Вид&тЧе и уменьшение |
эффективного удельного расхода |
||
632,5 |
|
|
|
топлива д. |
|
|
|
П е Н и Однако рост механического к. п. д. при повышении
температуры охлаждавшей воды ограничен термической ста бильностью смазочного масла. При температурах втулки
|
|
щ г—т |
tr°C |
цилиндра, больших 145- |
||
|
|
I50°C [4], [б], происхо |
||||
|
|
620 |
дит разложение большинст |
|||
|
|
Щ |
tr |
580 |
ва смазочных масел. В |
|
Ne% |
|
щ |
|
540 |
этом случае между поршнем |
|
|
|
|
|
и втулкой возникает сухое |
||
100 |
ые1 |
1 |
|
Че |
||
|
трение, потери на трение |
|||||
98 |
|
|
г |
резко возрастают, а меха |
||
|
|
1 |
|
л.с-ч |
||
96 |
% |
|
<90 нический к. п. д. умень |
|||
|
180 |
шается. Это приводит к |
||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
170 |
снижению эффективной мощ |
|
|
|
|
|
ности |
и увеличению |
|
|
|
|
|
|
||
|
40 50 60 70 |
80 90 |
-100 tv ,/С |
удельного |
расхода топлива |
|
|
|
|
|
|
де (рис. |
8.8). |
Рис. 8.8. Зависимость Ne,gevrtr |
Оптимальный темпе |
|||||
ortw, |
|
|
|
ратурный режим охлаждения |
||
246
современных корабельных дизелей с точки зрения эффектив ной мощности и экономичности, как это явствует из мате
риалов исследований и заводских инструкций, имеет своей нижней границей температуру 75-80°С, а верхней границей -
температуру 90-95°С.
Верхняя граница определяется не только вероятностью вскипания воды в полости охлаждения дизеля, что может
привести к местным перегревам деталей и их повреждениям, но, в ряде случаев, и увеличением расхода топлива.
§ 4. Влияние режима охлаждения на тепловую
напряженность деталей двигателя
Тепловая напряженность дизеля оценивается температура
ми на поверхности деталей и температурными перепадами в
характерных точках деталей цилиндрово-поршневой группы, непосредственно определяющими работоспособность и эксплуа тационную надежность этих деталей.
При работе двигателя с постоянной нагрузкой с повыше нием температуры охлаждающей воды перепад температур по толщине деталей цилиндрово-поршневой группы AtCT и максимальное давление цикла p z уменьшаются (см рис.8.4,
8.5), поэтому снижается и напряженность деталей. Перепад
температур Д t ст возрастает и напряжения увеличиваются
при резком уменьшении температуры охлаждающей воды и
увеличении нагрузки.
Местный перегрев деталей может наступить при пониже
нии давления в системе охлаждения или при попадании
воздуха. Давление в системе охлаждения выбирается таким,
чтобы в полости охлаждения дизеля не было развитого кипе
ния охлаждающей воды.
Повышение давления в полости охлаждения двигателя смещает момент возникновения поверхностного кипения в
зону более высоких температур охлаждающей воды и вызывает
247