Литература по Механике и для Механиков / Для 3-го курса / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

двигателя затруднено, поэтому в эксплуатации прибегают к методам их косвенной оценки.

Показатели тепловой напряж енности находятся в прямой за­ висимости от нагрузки цилиндра, характеризуемой средним индика­ торным давлением, положением указателя нагрузки (УН) или топлив­ ной рейки (ТР).

Косвенными критериями тепловой нагрузки цилиндра служат удельные потоки тепла, отводимого от ЦПГ с выпускными газами и охлаждающими средами. За критерии принимается температура вы­ пускных газов и охлаждающих сред (воды и масла). Ценную информа­ цию дает непосредственное измерение температуры втулки цилиндра в верхнем поясе в зоне нахождения первого-второго поршневых колец при положении поршня в ВМТ, в поясе выпускных и продувочных окон и перепада температур в огневом днище крышки, являющегося прямой функцией воспринимаемого ею теплового потока. Такие изме­ рения в судовых двигателях являются составной частью ряда авто­ матизированных систем контроля и диагностики их технического со­ стояния.

Термические напряжения, возникающие в деталях ЦПГ сг = AjSq, где 8 - толщина теплопередающей стенки, м; q - удельный тепловой поток через стенку, Дж:

В свою очередь, относительные потери теплоты через стенки цилиндра в охлаждающую среду

После подстановки получим:

(8.1)

Из этого выражения следует, что термические напряжения в ЦПГ двигателя увеличиваются с ростом величин р., п, Т , а также при ухуд­ шении сгорания топлива - снижении г/, и р..

Показатели механической напряженности двигателя характери­ зуется несколькими параметрами. При анализе напряженного состоя­ ния элементов остова наиболее существенное значение имеет макси­ мальное давление сгорания в цилиндрах р_. Состояние деталей КШМ

определяется совместным влиянием силы Р_ = Ftp_ и силы инерции движущихся масс Р , являющихся составляющими суммарной силы Р, максимальное значение которой Ртах = Р_~ Р., где Р - сила инерции в

Значения силы Р_ устанавливают на основе данных индицирования двигателя, а Ртах и Р. подсчитывают по приведенным в главе 7 формулам.

Таким образом, о величине механической напряженности двига­ теля на том или ином режиме его работы ориентировочно можно су­

дить по Рz и Рmax .

Рабочие режимы, характеризуемые определенными условиями работы двигателя, объединяются в общее понятие характеристики дви­ гателя. Характеристику принято представлять в виде графической за­ висимости энергетических, экономических и эксплуатационных пока­ зателей от одного из параметров двигателя, принимаемого в качестве независимого переменного. При этом, если в качестве независимого переменного принимают один из показателей нагрузки, то характерис­ тика называется нагрузочной, а если частоту вращения, то скоростной.

Из скоростных характеристик практический интерес представля­ ют внешняя, частичные, винтовые и ограничительные характеристики.

§ 8.2. Нагрузочная и регуляторная характеристики

Нагрузочная характеристика представляет собой графическую за­ висимость основных показателей двигателя от нагрузки при постоян­ ном скоростном режиме (п = const).

Критерием нагрузки служит среднее эффективное давление р^ которое и принимают в качестве независимого переменного. При по­ строении нагрузочной характеристики значения р откладывают по оси абсцисс, а параметры, характеризующие работу двигателя, - по оси ординат (рис. 8.1).

По нагрузочной характеристике работают дизель-генераторы и главные двигатели, нагружаемые изменением шагового отношения НЮ гребного винта регулируемого шага.

При уменьшении нагрузки цикловая подача топлива g уменьша­ ется, что, в свою очередь, сопровождается сокращением продолжи­ тельности подачи, снижением давления впрыска и ухудшением каче­

192 Судовые двигатели внутреннего сгорания

ства распиливания топлива, особенно ощутимым в области малых на­ грузок. Заряд воздуха GBсокращается в связи с падением подачи тур­ бокомпрессора либо остается почти без изменений (в двигателе без наддува). Отмеченные изменения g и 6'д приводят к тому, что коэффи­ циент избытка воздуха а = G J (g G 0) при уменьшении нагрузки увели­ чивается. Это обусловливает улучшение сгорания топлива и увеличе­ ние индикаторного КПД. Однако при переходе в область малых нагру­ зок рост коэффициента Г], замедляется, и в отдельных случаях возмож­ но даже некоторое его снижение, что объясняется ухудшением распыливания и сгорания топлива и увеличением относительных потерь теп­ лоты в охлаждающую воду.

Индикаторный расход топлива g. = 3600/(<9 Д ) является обратной функцией индикаторного КПД, и поскольку г] при уменьшении на­ грузки растет, то удельный индикаторный расход топлива убывает.

Мощность механических потерь при п = const практически не зависит от нагрузки, поэтому с уменьшением давления р е остается не­ изменной, в то время как индикаторная мощность N. убывает. В ито­ ге механический КПД уменьшается, что отрицательно сказывается на удельном эффективном расходе топлива и экономичности работы дви­ гателя. Несмотря на снижение индикаторного расхода, кривая эффек­ тивного расхода ge (см. рис. 8.1) при уменьшении нагрузки круто под­

удельный расход топлива несколько понижается, и наиболее эконо­ мичный режим работы двигателя, как правило, обеспечивается при нагрузке, соответствующей/?^ (0,7-0,8)ремпи.

О тепловой и механической напряженности, как уже отмечалось, косвенно можно судить по температуре выпускных газов и макси­ мальному давлению цикла р г. Последние с увеличением нагрузки рас­ тут и наибольших значений достигают при р е ном, поэтому и наиболее напряженным является режим полной нагрузки.

Принятое при анализе нагрузочной характеристики условие п = const в действительности не выдерживается. Частота вращения в силу неравномерности работы регулятора с увеличением нагрузки от:р е - 0 (холостой ход) до р е ном(полная нагрузка) несколько уменьшается. По­ этому зависимость р е(п), называемая регуляторной характеристикой,

в координатах р —п изображается не вертикалью пА = const (рис. 8.2),

работы в эксплуатации обычно отличны от стендовых, поэтому на номинальной мощности из-за опасности перегрузки двигатель работа­ ет редко.

Внешняя максимальная, или заградительная, характеристика по топливному насосу (кривая ТРтах = const, точка Г, рис. 8.36) соответ­ ствует предельной в условиях эксплуатации подаче топлива, ограни­ чиваемой обычно упором, устанавливаемым на топливном насосе и позволяющем обеспечить лишь кратковременную 10%-ную перегруз­

среднее эффективное давление составляют лишь часть их полного зна­ чения на номинальном режиме. На рис. 8.3а частичные характеристи­ ки показаны пунктирными линиями.

По частичной характеристике двигатель может работать без ог­ раничений по времени, исключая режим минимальной частоты вра­ щения.

Характер зависимостей мощности и среднего эффективного дав­ ления от частоты вращения для внешней и частичных характеристик следующий: р е = Л д д ; Ne = Cjgrjrii.

Если заменить величину g через показатель ТР, характеризую­ щий положение топливной рейки насоса или указателя нагрузки, то

р = А 2(ТР)г]пГ]е; Ne = C2(TPyrjnrje. где г\п- коэффициент подачи топлив­ ного насоса (см. подробно § 3.1.2).

Если предположить, что изменение скоростного режима п при TP = const не влияет на величины г\пи г\е, внешняя характеристика в координатах р —п (см. рис. 8.3а, б) будет представлять собой пря­ мую, параллельную оси абсцисс (р ном = const), а в координатах jЧ —п прямую, идущую из начала координат в точку номинального режима.

В действительности при изменении частоты вращения не сохра­ няются неизменными ни коэффициент подачи топливных насосов, ни эффективный КПД (см. рис. 8.3а). Коэффициент подачи топлива при уменьшении частоты вращения может меняться в довольно широких пределах (0,8-1,2). Определяющую роль в этом играют конструкция топливного насоса, величина дросселирования топлива в периоды на­ полнения и отсечки, техническое состояние прецизионных элементов ТНВД.

КПД большинства двигателей при уменьшении частоты вращения ме­ няется в довольно узких пределах.

Соответственно невелико изменение и удельного эффективного расхода топлива ge = 3600/({^д ). определяющего экономичность ра­ боты двигателя.

Малое влияние скоростного режима на эффективный КПД приво­ дит к тому, что характер зависимости среднего эффективного давления от частоты вращения при работе двигателя по внешней характеристи­ ке в основном определяется характером изменения цикловой подачи топлива (коэффициента подачи 77 ). В большинстве случаев при сни­ жении п увеличивается rjn, поэтому растетр е (см. рис. 8.3а).

Снижение давления р е обычно наблюдается в области малых час­ тот вращения, здесь определяющую роль начинает играть уменьшение коэффициента г\е из-за ухудшения снабжения двигателя воздухом, па­ дения а и ухудшения смесеобразования. ■

Так как среднее эффективное давление при изменении скоростно­ го режима и ТР = const не остается постоянным, а отклоняется от ли­ нейной зависимости, то и N = С рп изменяется нелинейно —по кривой (см. рис. 8.36).

Положение частичных характеристик отвечает условию ТР2 < ТР

Тепловая и механическая напряженность при работе по внеш ­ ней характеристике. Характерное для внешней характеристики со­ кращение коэффициента избытка воздуха, особенно заметно проявляю­ щееся в двигателе с турбонаддувом, вызывает рост температуры газов в цилиндре (см. рис. 8.36). Поэтому при уменьшении частоты враще­ ния в условиях внешней характеристики не исключена возможность повышения температуры деталей ЦПГ и роста в них температурных напряжений. На это может также влиять увеличение времени контакта горячих газов с поверхностями ЦПГ, определяемое увеличением вре­ мени их теплообмена при снижении оборотов. Оценка теплонапряжен­ ного состояния на пониженных оборотах по / может привести к за­ блуждению, так как снижение оборотов обычно сопровождается уве­ личением коэффициента избытка воздуха, что вызывает некоторое падение t^.

О механической напряженности двигателя можно судить по мак­ симальному давлению циклар „ и максимальному (суммарному) давле­

У двигателей без наддува снижение скоростного режима при ТР const, как правило, сопровождается увеличением давления p v, что обус­ ловливается смещением начала видимого сгорания в сторону опереже­ ния. В двигателях с наддувом в связи с падением давления наддува давления р с и убывают, но р тах увеличивается, так как с уменьшени­ ем частоты вращения больше, чем р , убывает удельная сила инерции

P1F . Рост р обусловливает повышение механических напряжений в

j п Г max J г

деталях КШМ.

Таким образом, работа двигателя по внешней характеристике опасна, так как при уменьшении частоты вращения увеличивается механическая напряженность и не исключена возможность роста тепловой напряженности. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе режима работы главного двигателя, особенно при плава­ нии в штормовую погоду, во льдах и при буксировках, так как именно в этих условиях двигатель выходит на режимы внешней характеристи­ ки - подача топлива остается постоянной, а частота вращения может снижаться при увеличении сопротивления движению судна.

§ 8,4. Ограничительные характеристики

Как уже отмечалось, работа по внешней характеристике и в зонах малых оборотов и нагрузок представляет определенную опасность в связи с ростом тепловых и механических нагрузок. Поэтому двигателестроители накладывают определенные ограничения на развиваемое двигателем среднее эффективное давление на всем допустимом диапа­ зоне оборотов. При этом главным аргументом является стремление сохранить теплонапряженность двигателя на допустимом уровне ис­ ходя из обеспеченности его воздухом, необходимым для полного и свое­ временного сгорания топлива. Естественно, что при назначении поло­ жения ограничительных характеристик двигателестроитель стремится сохранить на допустимом уровне и уровень механических напряже­ ний. Из наименования «Ограничительные характеристики» следует, что они ограничивают зоны, допустимые для длительной или кратко­ временной работы (на рис. 8.4, линии 4 и 5). Отметим, что рисунок построен в логарифмических координатах, позволяющих параболичес­ кие кривые заменять отрезками прямых линий.

Ограничительная характеристика при любой частоте вращения в диапазоне от пт.п до п определяет максимально допустимые для длительной работы значения среднего эффективного давления, а зна­