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

ополаскивая и охлаждая при этом внутреннюю поверхность го­ ловки поршня. Охлаждение взбалтыванием оказывается более эффективным способом, чем циркуляционное, при этом менее

вероятно появление отложений на омываемой маслом поверх­ ности.

На рис. V.36 показаны температурные поля различных кон­ структивных вариантов поршней четырехтактного высокофорсиро­ ванного дизеля ЧН26/26. В первом случае неохлаждаемый пор­

форсировании двигателя поршень оказался неработоспособным. Применение одного из возможных вариантов поршня с жаро­

(с элементом взбалтывания) обеспечивается возможность дальней­ шего форсирования двигателя.

При больших степенях форсирования в крупногабаритных дви­ гателях часто вынуждены применять водяное охлаждение порш­ ней. Об эффективности этого способа можно судить по данным, приведенным на рис. V.37, где показано изменение в зависимости от ре температур головок поршней, охлаждаемых маслом и водой. Поршень с водяным охлаждением в отличие от варианта с масля­ ным охлаждением имеет утоненное днище, подкрепленное ребрами. По данным фирмы «Зульцер», эффект от водяного охлаждения столь велик, что максимальная температура на поверхности охла­ ждаемого маслом поршня может быть достигнута при применении водяного охлаждения лишь с почти удвоением мощности. Эффек­ тивность водяного охлаждения объясняется большими величи­ нами коэффициента теплоотдачи в воду и теплоемкости воды. Последнее определяет увеличенный при одинаковых объемных расходах воды и масла теплоотвод. В рассмотренном случае этому служит также утонение и оребрение днища поршня.

Использование масляного, а тем более водяного охлаждения поршней связано с усложнением конструкции детали, масляной или водяной системы двигателя, с ускоренным старением масла и с опасностью попадания воды в картер. Все это может привести к снижению надежности работы двигателя. Увеличение потерь теплоты в систему охлаждения, потери энергии на привод допол­ нительного насоса или насоса повышенной производительности не могут не сказаться на экономических показателях. Возрастают габариты и вес теплообменных аппаратов.

Принципиально другим способом снижения температуры поршня является его тепловая изоляция со стороны камеры сгора­ ния. Это осуществляется применением накладок из жаростойкой стали или теплоизолирующих покрытий, наносимых относительно тонким слоем на поверхность днища поршня (до 0,5— 0,6 мм).

501

Рис. V.36. Температурное со­

502

В качестве теплоизолирующих покрытий могут быть использо­ ваны, например, окись алюминия А120 3, двуокись циркония Zr02, карбиды вольфрама, хрома с присадками кобальта, никеля и хрома, стеклокерамические покрытия, имеющие коэффициент теплопроводности на один, а в отдельных случаях на два порядка меньший, чем основной материал детали.

Следует иметь в виду, что эффект от теплоизоляции поршня в большой степени зависит от характера изменения при этом ра­ бочего процесса. В большинстве случаев эффективность оказы­

многом аналогично этому влияние на рабочий процесс и теп­ лоизолирующих покрытий. Приведенные на рис. V.39, а экс­ периментальные материалы дают , представление о характере влияния теплоизоляции поршня на основные показатели рабочего процесса. Испытания проводились на отсеке четырехтактного ди­ зеля при угле опережения подачи топлива, оптимальном для ра­ боты с теплоизолированным поршнем (опыты ЛПИ). В связи с по­ вышенной температурой поверхности днища теплоизолированного поршня несколько увеличивается давление и температура заряда воздуха в конце сжатия, сокращается период задержки воспла­ менения т;. На диаграмме (рис. V.39, б) dxldy = f (<р) отсутствует явно выраженная первая фаза видимого сгорания. Двигатель при этом работает мягче. Максимальное давление сгорания несколько возрастает, но смещается к н. м. т. Угол между расположением рг и максимальной температуры Т2 уменьшается. Это вызвано соот­ ветствующим изменением динамики тепловыделения (рис. V.39, б).

503

В общем, процесс сгорания смещается к в. м. т., сокращается до­ горание на линии расширения, что определяет уменьшение тем­ пературы выпускных газов и теплоотдачи в охлаждающую ци­ линдры воду. Все это приводит к заметному росту ti(- и соответ­ ствующему снижению цикловой подачи топлива (при Ne =£const), за счет чего отмечается некоторое увеличение коэффициента из­

бытка воздуха а, хотя коэффициент наполнения r\v оказывается ниже.

Отмеченные изменения в динамике тепловыделе­ ния и параметров рабо­ чего процесса приводят к существенному перерас­ пределению тепловых по­ токов через отдельные элементы тепловосприни­ мающей поверхности. От­ носительно более интен­ сивным оказывается отвод

Рис. V.38. Изменение температурного состояния деталей ци­ линдро-поршневой группы при замене поршня из алюминиевого

сплава составным поршнем с жаровой накладкой

теплоты в начале рабочего хода. В связи с этим увеличивается роль в теплоотводе элементов тепловоспринимающей поверхно­ сти, соприкасающихся с рабочим телом в этот период. Стано­ вится ясным увеличение qKP и снижение эффекта от теплоизоля­ ции поршня по сравнению с тем, который можно было бы ожидать при неизменных условиях теплообмена в цилиндре двигателя.

Влияние теплоизолирующих покрытий на рабочий процесс определяется различными факторами — регулировкой двигателя,

504

абсолютной величиной температуры поверхности головки поршня

истепенью ее изменения при теплоизоляции, свойством покрытий

ит. п. Эффект теплоизоляции определяется также конструктив­ ными особенностями поршня — чем меньше термическое сопро­ тивление теплоотводу изолируемого поршня (например, при ис­ полнении его из материала высокой теплопроводности, охлажде-

Рис. V.39. Влияние теплоизоляции поршня на основные параметры рабочего процесса двигателя при угле опережения подачи топлива, оптимальном для теплоизолирован­ ного поршня

нии), тем эффект от теплоизоляции оказывается больше. Недостаточная надежность теплоизолирующих покрытий яв­

ляется причиной редкого их применения в настоящее время. Максимальная температура цилиндровых втулок редко пре­

вышает 250° С. Стремятся к равномерному ее распределению по длине и особенно по окружности, чтобы избежать коробления втулки, нарушения зазоров поршень — зеркало цилиндра, по­ явления дополнительных температурных напряжений.

Наиболее равномерное распределение температур характерно для втулок четырехтактных двигателей и двухтактных двигателей

спрямоточной клапанно-щелевой продувкой (рис. V.40, а). Однако

ив этих случаях температурное поле в плоскости, перпендику­ лярной оси цилиндра, оказывается неравномерным. Сказывается влияние выпускных клапанов, соседних цилиндров и неравно­ мерность потока воды, омывающей деталь.

Неблагоприятно распределение температуры по телу цилиндро­

5 0 5

сл

о

о>

а)

Рис. V.40. Температура втулки

температуры по длине втулки очень велика несимметричность тем­ пературного поля относительно оси цилиндра. Последнее может привести к значительному нарушению геометрии зеркала ци­ линдра. Для выравнивания температуры в области выпускных окон часто предусматривается интенсивное охлаждение перепуском воды по каналам в перемычках между окнами.

На рис. V.41 показан характер изменения суммарных напря­ жений os и напряжений от газовых ам и температурных оу на­ грузок на поверхности втулки цилиндра в зависимости от ее тол­

Метод электротепловой аналогии позволяет решать сложные задачи теплопроводности, осуществлять анализ влияния разных факторов на температурное состояние отдельных деталей или группы их, представляющей единое целое в системе теплообмена (например, деталей поршневой группы и втулки цилиндра или цилиндровой крышки, клапанов с седлами). Появляется возмож­ ность оценки взаимного влияния конструктивных особенностей одной из деталей на температурное состояние других, сопряжен­ ных с ней.

На рис. V.42 приведены температурные поля в трех сечениях огневого днища крышки цилиндра и клапанов высокофорсирован­ ного дизеля, полученные в результате решения комплексной трех­ мерной задачи теплопроводности методом электротепловой ана­ логии. Условия теплообмена были откорректированы по данным эксперимента. В рассматриваемом варианте наблюдается харак­

507

терное распределение температуры. Максимум ее (400° С) распо­ лагается в районе между выпускными клапанами и форсункой, перепад температуры по толщине днища колеблется в пределах

60—80° С, что соответствует (120 000— 160 000) •1,16 Вт/м2. Наи­ больший температурный градиент (до 8 град/мм) наблюдается на

Рис. V.42. Температурные поля в трех сечениях огневого днища крышки ци­ линдра и клапанов высокофорсированного четырехтактного дизеля

периферии днища в районе расположения выпускных клапанов. Температуру выпускных клапанов следует считать умеренной (^вып. шах ~ 630° С). Максимальная температура впускного кла­ пана 510° С.

Анализ тепловых потоков показал, что через тарелку выпуск­ ного клапана со стороны камеры сгорания подводится до 85% теплоты, а отводится в основном через посадочный поясок — до

508

86% (рис. 43, а). В зависимости от конструктивных особенностей клапана возможно заметное перераспределение потоков теплоты и соответствующее изменение температурного поля. Так, напри­ мер, при посадке клапана не на седло плавающего типа, а на фаску,

Рис. V.43. Температура и температур­ ные потоки по элементам поверхности теплообмена выпускного клапана че­ тырехтактного дизеля (в ккал/м2 •ч или X 1,16 Вт/м2) при посадке клапана на плавающее седло (а), непосредственно на фаску в днище крышки (б); влияние геометрии тарелки на температурное

поле (в)

выполненную непосредственно в крышке цилиндра, увеличи­ вается тепловой поток через фаску. Температура клапана в сред­ нем уменьшилась на 8%, повысился температурный градиент в районе фаски — теплоотвод через нее возрос примерно на 40%. Температура крышки у посадочного пояска возросла на 3— 6%, увеличился и температурный градиент (до 11° С/мм).

На рис. V.43, б, в показан характер изменения температур­ ного поля клапана в зависимости от геометрии тарелки. Из мате­ риала, приведенного на следующем рисунке (рис. V.44), видно влияние на температуру клапана толщины стержня и зазоров в на­ правляющей втулке.

509