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

обмена в цилиндре и кончая определением вида распределения тепловых потоков по элементам тепловоспринимающей поверх­ ности и температурного состояния деталей.

Лишь комплексные исследования дают возможность на основе накопления и анализа данных эксперимента и расчетов, их обоб­ щений обогатить теорию двигателей внутреннего сгорания, по­ лучить хорошо обоснованные методы решения практических за­ дач по снижению теплонапряженности деталей.

§ 3. НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ РЕЖИМЫ

Работа большей части двигателей внутреннего сгорания в экс­ плуатационных условиях характеризуется частыми и резкими из­ менениями режимов. К ним в первую очередь относятся авто­ тракторные двигатели, двигатели маневровых тепловозов и др.

Анализ условий работы автомобильного двигателя показы­ вает, что на сравнительно свободном шоссе водитель производит

'15

1— 1,5 переключений скорости на 1 км пути, в крупных городах — до 5— б переключений. Даже при движении автомобиля по сравни­ тельно ровной дороге без переключения скорости орган, регули­ рующий подачу топлива, находится в беспрестанном движении, перемещаясь в больших пределах. Это обусловливается наличием небольших подъемов и спусков, неоднородностью дорожного по­ крытия и т. п.

В условиях частых и резких изменений нагрузок работают теп­ ловозные двигатели. Из рис. V.45 видно, что изменение режимов работы магистральных тепловозов также могут происходить часто (каждые 5— 6 мин), причем во многих случаях наблюдается из­ менение нагрузки от 0 до номинальной. Нередко в подобных ус­ ловиях приходится работать и главным судовым двигателям, осо­ бенно рыбопромысловых судов и даже крупных судов, совер­ шающих длительные рейсы. Так, например, при движении судна в ледовых условиях режим работы может изменяться каждые 2— 4 мин от номинального до полной остановки двигателя; на рис. V.46 показан характер изменения режима работы главного судового двигателя при маневрировании.

511

Частые смены режимов приводят к тому, что значительную часть времени двигатель работает на неустановившихся режимах, в условиях изменения во времени параметров рабочего процесса. Неустановившиеся режимы характеризуются мгновенными зна­ чениями переменных во времени основных параметров и могут в значительной степени отличаться от сходных (по скоростному режиму и нагрузке) установившихся режимов. Отличие это опре­ деляется несоответствием установившемуся режиму условий про­

текания рабочего процесса

не в состоянии мгновенно, в соответствии с изменением подачи топлива, изменить подачу воздуха. При набросе нагрузки в связи с этим возникает недостаток его для сгорания топлива, что при водит к снижению мощности двигателя, приемистости, ухудше нию экономичности, дымному выпуску. Сброс же нагрузки сопро вождается непроизводительной затратой энергии на подачу из лишнего количества воздуха. Для устранения этих нежелатель ных явлений совершенствуются схемы газотурбинного наддува различные способы настройки и регулирования турбокомпрессо ров, снижаются массы движущихся деталей, совершенствуются си стемы регулирования скорости двигателя и другие мероприятия

Совокупность неустановившихся режимов представляет собой п е р е х о д н ы й п р о ц е с с — процесс перехода от одного установившегося режима к другому. Работа двигателя при пере­ ходных процессах обычно связана с ухудшением экономичности

инередко с увеличением жесткости рабочего процесса. На рис. V.47

вкачестве примера показан характер изменения основных пара-

512

метров рабочего процесса высокофорсированного четырехтакт­ ного турбопоршневого дизеля во время переходного процесса при разгоне. Температурное состояние стенок камеры сгорания в на­ чале разгона близко к номинальному. Характер изменения по­ дачи топлива на цикл определяется особенностью системы регу­ лирования двигателя. В рассматриваемом случае через 18 с от начала переходного процесса подача топлива достигает максималь-

Рис. V.47. Изменение ос­ новных параметров рабо­ чего процесса высокофор­ сированного четйрехтактного дизеля во время пе­ реходного процесса при разгоне (относительное изменение подачи топлива

на цикл gT, мощности N'e< частоты вращения двига­ теля п и турбокомпрес­

сора пг, коэффициента

избытка воздуха а 7 ин­

дикаторного к. п. д. Т|i

давления наддува рк, рас­

хода воздуха GB и темпе­ ратуры газов перед тур­

биной

ной величины, а затем постепенно уменьшается до номинального значения и устанавливается через 60— 65 с. Рост частоты враще­ ния турбокомпрессора в связи с его инерционностью отстает от частоты вращения двигателя. Соответственно этому изменяется часовой расход воздуха GB и давление наддува рк. Замедленный разгон турбокомпрессора, а отсюда и малая подача воздуха в пер­ воначальный период процесса разгона приводит к резкому сни­ жению коэффициента избытка воздуха а. При этом минимальное значение а оказывается даже меньше единицы. Работа двигателя при а, значительно меньшем оптимального, приводит к резкому нарушению процесса сгорания, что обусловливает значительное (около 30%) снижение

Переходные процессы часто протекают в условиях больших изменений температур стенок, причем изменение последних всегда отстает в темпе от изменения режима работы. Рабочий процесс при неустановившихся режимах протекает при температурах сте-

нок камеры сгорания, в значительной степени отличающихся от их значений при соответствующих установившихся режимах ра­ боты. Следует помнить, что температура стенок в большой сте­ пени влияет на характер протекания рабочего процесса, а время стабилизации температур стенок велико (2— 20 мин) в зависимости от размеров деталей, физических свойств материала и условий стабилизации. Таким образом, при значительном изменении тем­ ператур деталей двигателей переходные процессы будут более длительными. В связи с этим в реальных условиях переходные

холостом ходу на работу при 75-процентной нагрузке. Время про­ грева обоих поршней фактически одинаково и составляет примерно 5 мин. Следует отметить, что прогрев нижнего поршня, управляю­ щего выпускными окнами, происходит в течение первых двух минут значительно интенсивнее, чем верхнего. Так, за первые две минуты его температура повысилась на 83% от общего изме­ нения температуры, а нижнего — всего на 63%. За последующую минуту температура нижнего поршня можно считать установилась, в то время как температура верхнего была в этот момент ниже t„ при установившемся режиме на 10° С.

u u 9rf/ooHC‘ представлены результаты испытаний двигателя ЧН30/38, проведенные в режиме прогрева. Как видно, интенсив­

ное повышение температуры наблюдается в местах прохождения основного теплового потока (район головки поршня и бурта втулки цилиндра). Юбка поршня и нижняя часть цилиндровой втулки разогреваются в основном от втулки цилиндра и путем теплопро­ водности. При этом в зонах высоких температур наблюдается в пер­ вый период прогрева интенсивное увеличение температуры, ко-

514

торая за относительно короткий промежуток времени достигает значений, близких к температуре, соответствующей новому ре­ жиму. Относительная скорость прогрева удаленных от камеры сгорания зон заметно меньше и на первый взгляд период прогрева затягивается. В рассматриваемом случае это время для температур головки поршня равно примерно 7— 8 мин. Последнее может

обусловить возникновение в процессе прогрева температурных градиентов, превышающих таковые на новом установившемся режиме.

Неравномерность интенсивности прогрева сопряженных де­ талей может привести к нарушению зазоров между ними за счет деформаций и к соответствующему нарушению условий их сов­ местной работы. В отдельных случаях это является причиной повышенных износов или задиров втулки и поршня.

Следует отметить, что, строго говоря, окончательно установив­ шегося температурного состояния контактирующие детали дости­ гают в процессе прогрева или охлаждения одновременно.

Из рис. V.50 виден характер прогрева чугунного неохлаждае­ мого поршня двигателя Д30/40. Двигатель был загружен на 60%

через 1 мин после пуска. Температурное состояние деталей уста­ новилось через 18— 20 мин. Следует отметить, что при подобных условиях пуска радиальный температурный градиент в процессе прогрева мало отличается от того, который соответствовал уста­ новившемуся режиму работы двигателя под нагрузкой. Макси­ мальное значение градиента в процессе прогрева не превышало 7е С/см, а при установившемся режиме было равно 6,3° С/см.

Характер изменения температуры во всех точках головки поршня практически одинаков. Некоторое снижение температуры

Рис. V.50. Прогрев чугунного неохлаждаемого /поршня при мгно­ венном набросе нагрузки

в точке 3 за первые 20— 30 с после пуска двигателя объясняется охлаждающим влиянием воды в зарубашечном пространстве, ко­ торая поступила в двигатель при температуре 4— 5° С.

На рис. V.51 приведены результаты измерения температур поршня в трех точках при остановке двигателя после работы на 75-процентной нагрузке. Одновременно с остановкой двигателя была прекращена подача воды на охлаждение цилиндра.

В первый период после прекращения подачи топлива темпера­ тура в точках 1 и 3 днища поршня резко упала (за первые 60 с — соответственно на ПО и 80° С). В дальнейшем скорость снижения температур быстро уменьшается. Совершенно иной характер из­ менений температуры над третьим уплотнительным кольцом. В связи с ухудшением условий теплоотдачи от поршня через ци­ линдровую втулку в воду температура в этом месте за счет про­ грева от центральной, более нагретой части днища, первые 2,5 мин изменяется мало. В дальнейшем, после значительного выравни­ вания температуры поршня, начинается относительно интенсив­ ное ее снижение и в рассматриваемом месте.

516

Характер прогрева и охлаждения втулки цилиндра средне­ оборотного четырехтактного дизеля ФИАТ 550 SS (ЧН55/59, ре = = 18,0 кгс/сма, п = 430 об/мин) при набросе и сбросе нагрузки показан на рис. V.52. Длительность переходного процесса в обоих случаях практически одинакова и находится в пределах 10—

15мин.

Для предварительного сравнительного анализа процессов про­

грева или охлаждения деталей двигателя с определенной степенью

Рис. V.51. Охлаждение чугунного неохлаждаемого поршня при сбросе нагрузки

приближения можно воспользоваться теорией регулярного теп­ лового режима, разработанной Г. М. Кондратьевым.

Переходный тепловой процесс в общем случае можно разбить на два периода. Первый характеризуется постепенным от слоя к слою проникновением тепла в глубь тела и соответствующим из­ менением температур (рис. V.53), температурное поле в этот период во многом обусловливается начальным состоянием деталей. За­ тем наступает момент (через тн) с начала переходного процесса, с которого процесс изменения температур тела уже не связан с пер­ воначальным его температурным состоянием. Характер изменения температур и их распределение на этом этапе, называемом р е - г у л я р н ы м процессом, определяются лишь условиями на гра­ нице тела, его формой и физическими параметрами материала. Ре­ гулярный процесс заканчивается, когда прекращается изменение температур во всех точках тела, т. е. dtldт = 0. Теоретически

517

ре=!8кгс/см2

х.мин

Рис. V.52. Прогрев и охлаждение втулки ци­ линдра среднеоборотного четырехтактного ди­ зеля при изменении режима работы

Рис. V.53. Характер изменения температуры в плоской стенке при нестационарном режиме

Рис. V.54. Регулярный процесс

этот процесс длится бесконечно. Изменение температур описы­ вается уравнением экспоненты

менения температуры, имеет размерность, обратную температуре. Эта величина определяется размерами и формой тела, физическими свойствами твердого тела, условиями теплообмена на его грани­ цах и не зависит от начального температурного состояния.

Величина, обратная т — п о с т о я н н а я в р е м е н и Т

ная температура уменьшится в е раз и составит примерно около 37% от начального значения. Т можно определить из соотношения

время, за которое избыточная температура уменьшится до 1/100 от исходного значения йн, то исходя из равенства (V.37) получим

(т = 0). Дифференцируя уравнение (V.36), получим при х = 0

Знак минус показывает, что в процессе прогрева или охлаждения избыточная температура с течением времени убывает.

Реальные переходные тепловые процессы в двигателях, как правило, происходят при значительных изменениях во времени условий теплообмена на границах деталей и физических свойств материала, из которых они изготовлены. Рассмотренный метод может быть использован для сравнительного, оценочного анализа переходных процессов в двигателе. Обычно наибольшие изменения

51 9

промежуток времени в начале переходного процесса, а изменения физических свойств материала и условий отвода теплоты в боль­ шинстве случаев сравнительно невелико. Значения Т и (dbldx)max справедливы лишь для данных условий протекания переходного процесса и определяются осредненными за процесс величинами параметров, в зависимости от которых они находятся.

Частые, большой амплитуды изменения температуры при пуль­ сирующем или колебательном изменениях неустановившихся ре-

t°C

200

150

100

жимов вызывают ухудшение усталостных характеристик мате­ риала деталей. Это в значительной степени снижает их надежность и долговечность в эксплуатации.

Резкое изменение режима работы двигателя, как правило, при­ водит в процессе прогрева или охлаждения деталей к возникнове­ нию в них температурных напряжений, значительно превышаю­ щих таковые при установившихся режимах работы. Последнее следует учитывать при расчете деталей на прочность.

Возможный характер и степень изменения напряжений в пе­ риод прогрева видны из рис. V.55. Здесь показан характер изме­ нения по времени температуры поршня и возникающих в нем температурных напряжений в период прогрева после пуска. От­ мечается, что наиболее напряженным местом является переход от днища к боковой стенке головки. Из графиков видно, что тем­ пературный режим устанавливается практически через 35— 40 мин. Напряжения в первый момент резко возрастают, достигая макси­ мума через 8— 25 мин после пуска. По мере выравнивания темпера­ тур напряжения снижаются до значений, соответствующих уста-

520