книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник

0 5

Т а б л и ц а V.10. Величина дохл для различных двигателей

Та б л и ц а V. 11. Теплоотдача в воду

взависимости от способа смесеобразования

быть взяты следующие значения этих величин:

В двигателях с неохлаждаемыми поршнями /п можно не учи­ тывать, так как больше 80% теплоты, воспринятой поршнем, пе­

где D и S — диаметр цилиндра и ход поршня, мм; GBи Тк часо­ вой расход воздуха (кг/ч) и температура на всасывании, К; а — коэффициент избытка воздуха; i — число цилиндров; Q„ и QH— теплотворность горючей смеси при данном а и низшая тепло­ творность топлива. Отношение их характеризует неполноту сго­ рания топлива в цилиндре двигателя в зависимости от а. Значение показателя m колеблется от 0,56 до 0,60.

Формула была получена на основании эксперимента с цилин­ драми карбюраторных авиационных двигателей; при этом было

462

воздуха в воздушном холодильнике.qBх, от корпуса турбонагне­ тателя, если предусмотрено его охлаждение. Как видно из табл. V.10, qMнаходится при неохлаждаемых поршнях в пределах 1— 4,5%, в случае же масляного охлаждения поршней теплоот­ дача в масло возрастает до 5— 12%. Значительна и величина qBх. В зависимости от степени наддува теплоотдача в системе промежу­ точного охлаждения составляет 2— 7,5% от QT. При охлаждении турбонагнетателя теплоотвод в воду не превышает обычно 2— 5%.

Г Л А В А XV

ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕТАЛЕЙ

§ 1. ТЕМПЕРАТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ

На рис. V.12 показано температурное состояние деталей, ограничивающих камеру сгорания двух двигателей — двухтакт­ ного малооборотного и четырехтактного многооборотного.

Для^. обеспечения достаточной долговечности и надежности работы деталей необходимо, чтобы абсолютные значения их тем­ ператур не превосходили допустимых величин, а распределение температуры по телу детали не вызывало возникновения больших температурных напряжений и нарушения геометрии сопрягае­ мых поверхностей.

Высокая температура детали может привести к значительному ухудшению физико-механических свойств материала, изменению его структуры (например, рост чугуна). С ростом температуры обычно наблюдается уменьшение предела прочности металла ав, модуля упругости Е, значительно изменяется коэффициент ли­ нейного удлинения б, коэффициент теплопроводности X и другие параметры. Высокий нагрев приводит к изменению твердости материала.

На ряд свойств материала оказывает влияние цикличность тепловых и механических нагрузок. Таким образом, оценка пре­ дельных температур для' деталей должна осуществляться на

463

О

Рис. V.12. Температурное состояние деталей цилиндро-поршневой группы малооборотного (а) и многооборотного (б) дизелей

основании многостороннего анализа условий работы детали и свойств ее материала.

Опыт двигателестроения показывает, что предельной темпе­ ратурой головки поршня, выполненной из чугуна, следует счи­

температура верхней кромки канавки под первое уплотнительное кольцо). При высокой температуре в этой зоне либо ухудшаются условия смазки колец, возрастает износ, либо наблюдается интен­ сификация отложений в канавках под кольца. Это приводит к быстрой потере подвижности колец, к нарушению уплотнения и отвода теплоты от поршня. Предельно допустимая величина тем­ пературы tnl, при которой еще возможна надежная работа колец, зависит от ряда факторов (свойств масла, конструктивных осо­ бенностей колец, требований к двигателю и т. п.). Обычно для дви­ гателей, от которых требуются повышенные надежность и долго­ вечность, температура tnl редко превышает 200° С. Для двига­ телей многооборотных форсированных с ограниченным моторе­ сурсом tnl = 220-j-245° С.

Для безотказной работы двигателей с поршнями, охлаждае­ мыми маслом, очень важно исключить отложения на внутрен­ ней теплоотдающей поверхности головок поршней. Последнее обеспечивается поддержанием температуры на этой поверхности, не превышающей 200 (210)° С. В этом случае, особенно при охла­ ждении взбалтыванием, обеспечивается длительная работа поршня без заметных отложений.

Предельная температура зеркала цилиндра в области работы поршневых колец определяется с учетом необходимости обеспе­ чения хороших условий смазки, снижения механического и кор­ розионного износов. Практика доводки и эксплуатации двигателей, исследования на моделях показывают, что превышение 200° С на поверхности трения приводит к резкому нарастанию скорости механического износа. Считается нежелательным превышение температуры зеркала цилиндра этой величины. Необходимо отме­ тить, что с увеличением содержания серы в топливе увеличивается кличество отложений и их твердость, что приводит к повышению износа.

При значительном количестве серы в топливе в определенных условиях возможно преобладание «химических износов». Сера и сернистые соединения, входящие в состав топлива, при его сго­ рании в цилиндре двигателя преобразуются в S 02 и S03, которые

наблюдается быстрое возрастание износа. Таким образом, в рас­ сматриваемом случае определяющей должна быть температура точки росы водяных паров. Ее считают нижним допустимым пре­ делом температуры зеркала цилиндра.

При оценке допустимых температур необходимо учитывать характер изменения зазоров и натягов между сопряженными деталями.

Выпускные клапаны имеют наиболее высокую температуру из всех деталей двигателя. В табл. V.12 приведены значения тем­ ператур клапанов в различных двигателях.

Т а б л и ц а V.12. Температура клапанов

Наддув двигателей обычно сопровождается заметным ростом теплонапряженности их деталей. Однако из практики дизелестроения известно, что при правильно выбранных параметрах газотурбинного наддува возможно увеличение мощности двига-

466

телей до 50% без заметного повышения общего уровня теплонапряженности. Последнее достигается в основном за счет неко­ торого увеличения коэффициента избытка воздуха и использова­ ния промежуточного охлаждения. У тепловозных и судовых двигателей большой мощности, в которых и без наддува наблюдается высокий уровень теплонапряженности, при форсировании этому вопросу необходимо уделять особое внимание. Так, например,

На рис. V.13 показано относительное изменение теплонапря­ женности ряда различных двигателей qn. Hlqn в зависимости от степени форсирования ре JPe- Этот рисунок иллюстрирует изме­ нение теплонапряженности двигателей при газотурбинном над­ дуве и влияние на нее промежуточного охлаждения. Следует отметить, что наибольшее отклонение точек от средней линии в сто­ рону больших значений q„.H/qa характерно для вспомогательных

период рабочего цикла, при этом изменяется характер протекания последнего на ряде этапов, в частности в период сгорания топлива. Если пренебречь последним и принять, что теплоотдача осущест-

вляется в основном за счет конвекции, а конвективный тепло­ обмен описывается уравнением

Nu = A Rem,

то при прочих равных условиях (неизменных a, tKи других пара­ метрах) теплонапряженность деталей должна возрастать, так как

а = const у?,

где т < 1.

На рис. V.14, а показан характер изменения температуры чугунного неохлаждаемого поршня и втулки цилиндра двухтакт­

ного дизеля в зависимости от давления наддува при постоянных а = 2,4; tK — 10ч-12° С и п ~ 300 об/мин (опыты ЛПИ). Повы­ шение при этих условиях ркс 1,19 до 1,72 кгс/см2 привело к росту температуры деталей на 25— 30%. Обращает на себя внимание пе-

Таким образом, увеличение давления наддува при прочих равных условиях сопровождается ростом теплонапряженности деталей двигателя. Однако уровень ее может быть заметно снижен

за счет увеличения а и применения промежуточного охлаждения воздуха.

468

Коэффициент избытка воздуха

Величина а в большой степени определяет температурное со­ стояние деталей двигателя. При прочих равных условиях с умень­ шением а быстро возрастают температуры (как Тг ср, так и Тг рез) и давление цикла, определяющие рост теплоотдачи от газов к стен­ кам цилиндра, а следовательно, и температуры стенок цилиндра. Примером большой зависимости температуры деталей от коэффи­ циента избытка воздуха является изменение их температуры при работе четырехтактных двигателей без наддува по нагрузочной характеристике. Здесь основным фактором, определяющим темпера­ турное состояние деталей, является коэффициент избытка воздуха.

(коэффициент избытка воздуха а изменялся за счет увеличения давления наддува). Несмотря на повышение плотности заряда воздуха, что приводит к росту <хср, влияние роста коэффициента избытка воздуха на величину температуры поршня и втулки ци­ линдра оказывается преобладающим. Изменение при этих усло­ виях а от 1,45 до 3,2 вызвало снижение температуры головки поршня в среднем на 25%, а бурта втулки на 30%. Следует отме­ тить более интенсивное понижение температуры втулки цилиндра, что полностью согласуется с характером изменения qKP и qBT. Заметно уменьшается дохл, возрастает qB г, на 4— 5% становится больше %.

В связи с большим влиянием а на tcr обычно при наддуве с целью снижения теплонапряженности деталей и некоторого повышения т](- целесообразно предусматривать повышенные зна­ чения а. В крупногабаритных тихоходных двигателях, как пра­ вило, уже при 30— 50-процентном наддуве увеличивают коэффи­ циент избытка воздуха на 10— 15%.

Промежуточное охлаждение воздуха обеспечивает увеличение заряда воздуха и снижение температуры рабочего тела в цилиндре, что способствует улучшениею эффективных и экономических по­ казателей, а также температурного состояния деталей.

Интересны в этом отношении результаты опытов, поставлен­ ных на двигателе Д100 Харьковским заводом транспортного ма­ шиностроения. Изменение температуры воздуха в ресивере с 87 до 49° С привело к значительному улучшению параметров рабо­ чего процесса. Повышение при этом a (Ne и п — постоянны) на

показала заметное снижение Тг рез и as ср (соответственно на 8 и 3%). Это обусловило уменьшение теплоотдачи в охлаждающую цилиндры воду и температуру деталей. На каждые 10° снижения tK температура поршней понизилась на 10— 15°. Это равноценно возможности увеличения мощности при tn = const примерно на 7— 8%.

469

С точки зрения влияния промежуточного охлаждения на воз­ можность форсирования двигателя представляют интерес опыты фирмы «Дейтц». Понижение температуры tK у судовых двухтакт­ ных двигателей ВТ8М233 (ДН22/33) и ВТ8М625 (ДН20/25) с над­ дувом на 32 и 30° С соответственно позволило увеличить их мощ­ ность на 15 и 16%. При этом температурное состояние поршня и теплоотдача в воду оставались практически прежними

(табл. V.13).

Т а б л и ц а V. 13. Влияние промежуточного охлаждения на параметры рабочего процесса

1 Дк- “ Давление и температура воздуха до и после нагнетателя с механическим приводом.

470