книги из ГПНТБ / Эксплуатация корабельных двигателей внутреннего сгорания лекции

где Ъ - постоянный коэффициент, учитывающий размеры

цилиндра, тактность двигателя и участок детали,

для которой проводится исследование.

Та же формула может быть выражена через другие величины:

Связь между тепловым потоком и температурой в харак­ терных точках как поршня так и втулки цилиндра устанавли­ вается в виде уравнения

что свидетельствует о линейной зависимости между темпе­

ратурой и удельным тепловым потоком. Возрастание теплово­

го потока является причиной повышения температуры деталей цилиндрово-поршневой группы. Коэффициенты к, и кг

остаются постоянными для исследуемой точки детали и могут

быть оценены с помощью предварительных экспериментов.

Следует оговориться, что все приведенные выше рас­

суждения справедливы только при постоянном термическом сопротивлении стенок и используются для оценки изменения

температуры деталей вследствие изменения нагрузки, внеш­ них условий, нарушения регулировки и т. д. При изменении

теплопроводности стенок (по причине лакоили нагарообразований, а также из-за отложения накипи в заруба-

шечном пространстве) эти формулы применять нельзя.

Несмотря на уменьшение теплового потока ^ , температуры

деталей в перечисленных случаях растет.

80

§ 6. Влияние отложений накипи, нагара и лака на тепловое состояние деталей цилиндрово­

поршневой группы

Процессы отложения накипи на поверхности втулок и

крышек цилиндров, отложения нагара (лака) на поверхно­

стях поршня всегда сопровождают работу двигателя и ока­

зывают существенное влияние на его тепловое состояние. Эти явления имеют одинаковые последствия и одинаковый характер проявления, поэтому рассматриваются вместе.

На рис. 3.7 показана схема отвода тепла от стенки,

1__________

%Л-2

81

где <S, д.- толщина и коэффициент теплопроводности стенки;

8еД - толщине и коэффициент теплопроводности отложений.

Даже при небольшой толщине слоя отложений накипи

или нагара (лака) термическое сопротивление резко воз­

растает. Коэффициент теплопроводности нагара в сотни

раз, а накипи в десятки раз меньше, чем теплопроводность

стали, чугуна или алюминия. Теплопроводности их имеют

следующие значения:

сталь Л, = 40 ккал/м ч град;

нагар К = 0,09-0,10 ккал/м ч град;

накипь К = 0,20-0,60 ккал/м ч град.

Формулы, полученные в результате рассмотрения тепло­ передачи в цилиндре двигателя, позволяют сделать качест­ венный анализ изменения теплоотвода и температуры на

поверхностях стенки (детали). При анализе предполагаем,

уменьшится вследствие уменьшения коэффициента теплоотда­ чи от газа к охлаждающей воде

Перепад температур уменьшится, так как уменьшится тепловой поток cj,.

Соотношение перепадов температур на стенке и на слое отложений определится по формуле

82

отвода тепла при отсутствии отложений показана сплошной линией, при наличии отложений - пунктирной линией.

На тепловое состояние поршня оказывают влияние не только отложения со стороны охлаждающей жидкости (т. е. масла), но и отложения на боковой поверхности поршня и в канавках поршневых колец, так как поток тепла от поршня отводится через боковую поверхность поршня и

через поршневые кольца к охлаждающей воде. На рис. 3.8 показана схема теплоотвода от поршня к охлаждающей воде через втулку при от­

83

Л 4 = 40 ккал/м ч град. Со стороны охлаждающей поверхно­ сти имеется отложение слоя лака толщиной 8г= 0,5 мм, коэффициент теплопроводности которого Л.г=2,0 ккал/м ч. Какой величины достигнет температура донышка поршня?

Примем: схГср= 200 ккал/м2ч град; Т м = 80°С температура масла, охлаждающего

поршень;

<хм = 2000 ккал/м1ч град - коэффициент теп­ лоотдачи от масла к поршню;

ТГз = П00°С - средняя заменяющая температура

газа.

Определим коэффициент теплоотдачи к<

тТГза Гс(+ к чТм 1100 290+1000-80 _ЗД0 000

на 50°с и достигнет значения 310 С.

Полученный в данном примере результат подтверждается экспериментальными данными. Высокая температура на по­ верхности поршня, омываемой маслом, приводит к интенсив­ ным лаковым отложениям и к возрастанию температуры поршня. Так, при испытаниях дизеля Д100 через 20 часов после начала работы температура донышка поршня составля­ ла 450°С, а через 100 часов уже достигала 520°С. Внутрен­

няя поверхность поршня, омываемая маслом, имела максималь­ ную температуру 260°С и минимальную около 190-200°С.

84

§ 7. Возможные последствия тепловых перегрузок и косвенные показатели теплового состояния

двигателя

Тепловое состояние наряду с механической напряжен­

ностью определяет надежность и долговечность работы дви­

гателя. Завод гарантирует установленную мощность, эко­

номичность и ресурс двигателя только в том случае, если

показатели тепловой напряженности не будут превышать

предельно допустимого уровня. Это значит, что темпера­

тура таких деталей, как поршень, втулка, клапан, лопатки газовой турбины турбокомпрессора будут находиться в пределах, которые обеспечат нормальную смазку, а механи­ ческая прочность материала будет поддерживаться на до­

статочно высоком уровне.

Во время работы двигателя на его показатели будут

влиять многие эксплуатационные факторы, вследствие чего

возможна тепловая перегрузка двигателя. К этим факторам

следует отнести:

-отложение накипи на нагретых поверхностях крышек

ивтулок цилиндров, охлаждаемых водой;

-перегрузкудвигателя по крутящему моменту;

-нарушение регулировки угла опережения подачи

топлива и нарушение регулировки фаз газораспределения;

-нарушение регулировки равномерности подачи топ­

лива по цилиндрам и неисправная работа топливоподающей аппаратуры;

-изменение внешних условий (температуры, влажности

идавления воздуха перед компрессором, температуры охлаж­

дающей воды, противодавления за турбиной и разрежения на всасывании);

-изменение характеристик турбокомпрессора вслед­

ствие загрязнения направляющего аппарата и лопаток ком­ прессора , а также соплового аппарата и лопаток газовой

турбины;

85

_ использование двигателя при выходе из строя отдель­ ных цилиндров, воздухоохладителя и агрегатов наддува.

Последствием тепловой перегрузки двигателя является его неизбежный преждевременный выход из строя.Процесс нарушения нормальной работы двигателя протекает следую­ щим образом.

Повышение температуры поршня ведет к интенсивному разложению масла и отложению лака (вязкого продукта разложения масла) в канавках поршневых колец. Лаковые отложения впитывают в себя твердые частицы нагара и про­ дукты износа с образованием плотного слоя. Нарушается нормальная смазка поршневого кольца. Наблюдается потеря подвижности или "зависание" поршневого кольца, т. е. полная потеря его работоспособности. Процесс начинается, как правило, с верхнего поршневого кольца, а после вы­ хода его из строя распространяется на нижележащие кольца до тех пор, пока все они не потеряют своей работоспособ­ ности. В результате прорыва газа и дальнейшего повышения температуры нарушается процесс смазки поршня. Бели неис­ правность не обнаружена своевременно, то двигатель выходит из строя в результате задира поршня.

Повышение температуры донышка поршня может привести к потере материалом механической прочности и к прогару поршня. Последствиями прогара являются: прекращение рабочего процесса в данном цилиндре, попадание топлива в картер двигателя и в масло, снижение мощности двига­ теля.

Повышение температуры в верхней части втулки проис­ ходит обычно одновременно с повышением температуры поршня, что вызывает разложение масляной пленки, появ­ ление сухого трения, интенсивный износ втулки и поршня.

Повышение температуры впускных и выпускных клапанов может вызвать во-первых, увеличение температуры штока клапана и разложение масла на его трущихся поверхностях, что приведет к интенсивному износу трущихся поверхно-

86

стей и.в отдельных случаях к зависанию клапана во втул­

ке; во-вторых, повышение температуры тарелки и посадоч­

ного уплотнительного пояска, что вызовет усиленный высокотемпературный коррозионный износ, нарушение плот­

ности посадочного пояска, прорыв газов, прогар клапана

и потерю герметичности цилиндра.

Личный состав, обслуживающий корабельные двигатели внутреннего сгорания, должен строго контролировать наггрузку двигателя и следить за тепловым состоянием основ­ ных деталей по косвенным показателям, не допуская пере­

грузки двигателя в тепловом отношении. Вместе с тем сле­

дует учитывать и то обстоятельство, что даже при пра­

вильной эксплуатации двигателя, при отсутствии перегру­ зок, в двигателе происходит процесс постепенного увели­ чения температуры деталей главным образом поршня. Это происходит в результате неизбежного, закономерного отло­

жения накипи на деталях даже при использовании воды, в которой количество примесей соответствует техническим

нормам; и в результате неизбежного разложения масла

и образования пленки лака на поверхностях и в канавках

•поршня, даже если применяется штатное масло и необходи­ мые присадки к нему. Теплоотвод постепенно ухудшается, а температура поршня и других деталей возрастает. Это

обстоятельство учитывается, поэтому ресурс многих кора­

бельных форсированных двигателей ограничивается не

величиной износа деталей, а необходимостью удаления

продуктов разложения масла на поршне и других деталях, а также накипи б крышках цилиндров и в зарубашечном

пространстве.

В условиях эксплуатации косвенным показателем тепло­

вого состояния двигателей является температура выпускных

газов. В основе этой оценки лежит предположение о том, что каждой температуре выпускных газов соответствует

вполне определенная температура деталей, соприкасающих­

ся с выпускными газами, и, следовательно, всякое измене­

87

ние температуры газа соответствует пропорциональному изменению температуры детали. Использование температуры газа в качестве косвенного показателя теплового состоя­

ния удобно еще и тем, что она легко измеряется в кора­ бельных условиях с помощью пирометрической установки.

В зависимости от конструкции двигателя термопары устанав­ ливаются в районе выпускных клапанов каждого цилиндра

и в выпускных коллекторах двигателя.

Как показывают экспериментальные исследования, изме­

нение температуры выпускных газов в нормальных условиях эксплуатации правильно отрегулированного двигателя соот­

ветствует вполне определенному изменению температур де­

талей. Однако в некоторых случаях эта закономерность

нарушается, что следует читывать. Например, при увели­ чении угла опережения подачи топлива при &^=ccmst и nA =const температура газа будет уменьшаться, а темпе­

ратура деталей возрастать. Это .явление объясняется,

во-первых, увеличением скорости горения и уменьшением догорания на линии расширения и, во-вторых, увеличением максимального давления сгорания, максимальной температу­ ры цикла и, как следствие, увеличением средней заменяю­ щей температуры и теплового потока через стенки.

Температура газа не всегда отражает •"ампературу деталей при работы двигателя по внешней характеристике. Например, при снижении числа оборотов двигателя, рабо­ тающего по внешней характеристике, температура газа может уменьшиться, а температура деталей возрасти. Объяснение указанного явления легко получить на основа­

нии качественного анализа уравнения теплового баланса

двигателя, представленного в упрощенном виде:

Здесь индексом ноль обозначены показатели исходного режима ТГ,ТК11<,сх,ц>а ,о(Е соответственно - температура газа перед турбиной, температура воздуха перед цилинд-

88

рами, коэффициент избытка воздуха, коэффициент продувки и суммарный коэффициент избытка воздуха на исследуемом

режиме. Тогда

Величина температуры поршня определяется в первую очередь соотношением воздух-топливо в цилиндре. При уменьшении числа оборотов вала дизеля по внешней харак­

теристике цикловая подача топлива остается примерно

постоянной. Количество воздуха уменьшается из-8а умень­

шения давления наддува. Коэффициент избытка воздуха

т. е. соотношение воздух-топливо также снижается. Поэтому,

несмотря на увеличение относительного теплоотвода в воду,

может наблюдаться некоторое возрастание температуры порш­

ня. В то же время период одновременного открытия выпуск­

ных и продувочных органов вследствие уменьшения числа

оборотов возрастает, что приводит к увеличению ^ Л и, <xz . как правило, суммарного коэффициента избытка воздуха В результате температура газовоздушной смеси перед тур­

биной уменьшается. Это обстоятельство должно учитываться

при осуществлении контроля за нагрузкой двигателя по температуре выпускных газов.

С течением времени на поверхностных нагретых деталей двигателя откладывается слой накипи или нагара, что ухудшает теплоотвод и приводит к постепенному повышению температуры деталей. Температура выпускных газов эти

явления отражает недостаточно полно, что может быть при­

чиной ошибок в определении теплового состояния двигателя

иперегрузки по тепловой напряженности.

Востальных случаях (при перегрузке двигателя, при

изменении внешних условий и т. д.) температуре газа отражает уровень температуры деталей и поэтому считается

основным косвенным показателем тепловой напряженности