.

Тепловая напряженность судовых дизелей

Детали цилиндро-поршневой группы (поршень, втулка, крышка) при работе дизеля находятся под воздействием переменного по времени поля температур. В статье рассматривается тепловая напряженность дизеля судна.

В точке z цикла температура достигает 1 500-1 700 °С. Воздействие высоких температур определяет тепловую “нагрузку” цилиндра.

Понятие тепловой напряженности; параметры, ее определяющие

Под тепловой нагрузкой имеется в виду количество тепла, передаваемого от газов к охлаждающей среде. Тепловая нагрузка определяется долей тепла Qохл в Тепловой баланс судового дизеля и его составляющиеуравнении теплового баланса:

Qт  Qе + Qгаз + Qохл + Qнб.

В качестве параметра тепловой нагрузки обычно используется величина удельного теплового потока:

qохл = K ( Tгаз  Tохл ), кДж/м2ч,          Форм. 1

где:

  • K = 1/(1/α1 + δ/λ + 1/α2) — коэффициент теплопередачи, кДж/м2ч K;
  • α1 — коэффициент теплоотдачи от газов к стенке цилиндра, кДж/м2ч K;
  • α2 — коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей среде, кДж/м2ч K;
  • λ — коэффициент теплопроводности материала стенок цилиндра, кДж/м2ч K;
  • δ — толщина стенок цилиндра, м;
  • Tгаз и Tохл — температура газов и охлаждающей среды, K.

Тепловая нагрузка цилиндра определяет его тепловую напряженность, которая в большинстве случаев является главной причиной аварийных износов и разрушений деталей ЦПГ, особенно у высокофорсированных двигателей.

Под тепловой напряженностью имеется в виду абсолютная температура на поверхности стенок цилиндро-поршневой группы (Tст1, Tст2), а также температурные напряжения из-за неравномерности температуры в различных точках деталей цилиндра. Связь между тепловой нагрузкой и температурой на поверхности деталей устанавливается уравнениями теплоотдачи и теплопроводности:

qохл = α1 (Тгаз  Тст1);         Форм. 2

qохл= λ/δ (Тст1  Тст2).        Форм. 3

На установившемся режиме работы двигателя температура в каждой точке поверхности ЦПГ и в толще металла сохраняется практически постоянной, несмотря на циклические изменения температуры газов в цилиндре за цикл и соответственно изменение величины qохл. Это объясняется большой тепловой инерционностью металла, благодаря чему температура деталей не следует за изменением температуры газов в цилиндре. Небольшие колебания температуры наблюдаются лишь на самой поверхности стенок камеры сгорания.

СДВС
Судовой дизельный двигатель

Очевидно, что температура в каждой точке ЦПГ определяется положением этой точки в цилиндре, особенностями конкретного двигателя и режимом его работы. Допустимый уровень температуры в каждой точке зависит от условий работы деталей. К примеру, при работе пары трения: «кольцо-цилиндровая втулка», — максимально допустимая температура определяется условиями смазки. Там, где нет пары трения, могут быть допущены большие температуры.

Рассмотрим возможные последствия превышения допустимых уровней тепловой напряженности в деталях цилиндропоршневой группы.

  1. Максимальная температура на поверхности стенок камеры сгорания достигла таких значений, когда возможна пластическая деформация металла. В совокупности с высоким давлением в цилиндре это привело бы в худшем случае к разрушению двигателя; в лучшем случае высокая температура приводит к “выгоранию” металла в наиболее нагретых местах.
  2. Максимальная температура на поверхности стенок ЦПГ не достигла уровня, при котором возможна пластическая деформация или выгорание металла, однако высокие градиенты температур (большая температура у поверхности соприкосновения с газами и низкая — со стороны охлаждения) могут привести к недопустимым тепловым напряжениям. Более нагретые частицы металла у газовой поверхности расширяются и испытывают сжимающие усилия из-за влияния остальной массы металла. Напротив, частицы металла со стороны охлаждения нагружены растягивающими усилиями. Превышение предела прочности металла при термических напряжениях приводит к трещинам материала стенок и выходу цилиндра из строя.
  3. При частых изменениях температурного режима ЦПГ, связанных с маневрами, изменением условий плавания, у высоконагруженных в тепловом отношении двигателей возникает явление “термической усталости”. Термическая усталость определяется накоплением циклов теплосмен и тепловых напряжений. Схематично это явление можно представить следующим образом: при высокой температуре деталей ЦПГ возможна пластическая деформация в поверхностном слое из-за напряжений сжатия; при последующем быстром охлаждении стенки в этом слое появляются растягивающие усилия (материал не успевает “избавиться” от пластической деформации), которые при превышении предела прочности приводят к поверхностным трещинам.
  4. Температура на поверхности втулки в районе действия поршневых колец имеет величину, при которой невозможно создание прочной масляной пленки — масло теряет смазывающие свойства, стекает вниз, окисляется. Это приводит к повышению коэффициента трения и еще большему росту температуры из-за трения, износу колец и втулки, “задирам” поршней и выходу двигателя из строя.
  5. Деформация втулки из-за неравномерного нагрева по высоте и по окружности приводит к нарушению ее геометрии, расцентровке, выбиранию зазора между поршнем и втулкой в некоторых местах, как следствие — к нарушению смазки, аварийным износам и задирам. Аналогичные явления могут происходить при неравномерном нагреве поршня. Такие аварии характерны для двигателей с контурными системами газообмена, имеющими асимметричный нагрев по окружности втулки, особенно в районе выпускных окон.
  6. Повышенная температура поверхности поршня со стороны охлаждения может привести к интенсивному коксообразованию, нарушению режима охлаждения, перегреву и авариям поршня. Такие явления наблюдаются при масляном охлаждении поршней, когда двигатель останавливается с полной нагрузки.

Надежность работы двигателя снижается при повышении температурного уровня других деталей — распылителя форсунки, выпускных клапанов, перемычек между окнами, т. д.

Наиболее объективные данные о тепловом состоянии двигателя в процессе эксплуатации могут быть получены при непосредственных замерах температуры и температурных напряжений в характерных точках. Эти данные обычно получают, преодолевая значительные трудности, в процессе специальных испытаний двигателя на стенде. До последнего времени на серийно выпускаемых двигателях аппаратура для непосредственного замера теплового состояния ЦПГ не устанавливалась.

На некоторых двигателях устанавливаются датчики температуры. Обычно температура измеряется у поверхности втулки цилиндра с газовой стороны на уровне 1-го компрессионного кольца при нахождении поршня в ВМТ. В Новороссийском высшем инженерном морском училище была создана в 80-е годы аппаратура контроля температуры поршня бесконтактным способом. Такие системы контроля позволяют своевременно обнаружить тепловую перегрузку цилиндров.

Обычно температуры в характерных точках деталей ЦПГ судовых малооборотных двигателей не превышают величин:

  • Головка поршня (масляное охлаждение) — 450-550 °С;
  • Головка поршня (водяное охлаждение) — 400-500 °С;
  • Поршень в районе 1-го поршневого кольца — 160-180 °С;
  • Втулка в районе камеры сгорания — 180-200 °С;
  • Втулка в районе 1-го поршневого кольца, когда поршень находится в ВМТ — 140-160 °С;
  • Днище крышки цилиндра — 300-400 °С;
  • Выпускные клапаны — 600-700 °С.

Ввиду исключительной трудности непосредственных замеров тепловых напряжений в деталях ЦПГ, для их оценки используется косвенный показатель — градиент температур dt/dx, показывающий изменение температуры в деталях по толще металла. Обычно градиент температур у судовых двигателей не превышает значений: dt/dx ≈ 4-5 °С/мм.

Приведенные значения температур и температурных градиентов близки к предельно допустимым. В отличие от запаса механической прочности, запас по тепловому состоянию цилиндров невелик и при дальнейшей форсировке дизелей продолжает уменьшаться.

Основным фактором, ограничивающим цилиндровую мощность дизеля при любом уровне его форсировки, является тепловая напряженность.

При отсутствии системы непосредственных замеров температуры тепловое состояние ЦПГ оценивается косвенно по показателям:

Такая оценка не гарантирует своевременного обнаружения тепловых перегрузок. Она требует комплексного анализа параметров работы двигателя, что предполагает наличие известного опыта и глубокого понимания взаимосвязи объективных показателей работы двигателя. Без такого анализа можно прийти к неправильным выводам.

Так, повышение температуры выпускных газов при нормальной регулировке и хорошем техническом состоянии цилиндра в практике эксплуатации с полным основанием воспринимается как свидетельство роста тепловой напряженности. Однако в некоторых случаях повышенная температура выпускных газов еще не говорит о повышении температуры стенок цилиндра. Это явление может произойти при T. P. = const и недостаточном угле опережения впрыска топлива или же при ухудшении распыливания топлива и перераспределении тепла между Qi и Qгаз при Qохл = const. Если выпускные трубопроводы сгруппированы по 3 (в импульсной системе ГТН), то показания термометра температуры уходящих газов на среднем цилиндре будет на 40-50 °С выше, чем на крайних цилиндрах. Это, однако, не говорит о повышенной тепловой нагрузке цилиндра — на показания термометра оказывает влияние выпуск из соседних цилиндров.

Наличие тепловой перегрузки цилиндра малооборотного дизеля может быть установлено на стоянке при инспекции цилиндров через смотровые лючки по состоянию поршня и его колец. Последствия тепловой перегрузки можно обнаружить при вскрытии цилиндра по наличию выгорания металла, цветам побежалости и следом ударения факела в головку поршня, повышенным износам втулки, поршневых колец и поршня, “залеганию” или поломке поршневых колец.

Зависимость параметров теплонапряженности от конструктивных и эксплуатационных факторов

Температура в определенных точках ЦПГ и тепловые напряжения в деталях зависят от многих факторов, основные из которых: уровень форсировки двигателя, параметры воздухоснабжения, род охлаждающей жидкости, конкретные конструктивные решения (размеры двигателя, толщина стенок, решение вопросов теплозащиты и охлаждения, т. д.) и условия эксплуатации. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов в отдельности.

Влияние уровня форсировки, воздухоснабжения и рода охлаждающей жидкости

Как отмечалось ранее, при наддуве ДВС относительная доля тепла в охлаждающую среду уменьшается. Однако абсолютная величина теплоотвода растет, хотя и в меньшей степени, чем среднее индикаторное давление. Так, при наддуве двигателя VT2BF и увеличении pi на 20 %, теплоотвод в стенки цилиндра возрос на 13 %, а температура стенок повысилась на 9 %. Учитывая малые запасы по уровню температур в двигателях, это увеличение температуры может превысить допустимый уровень. Поэтому при форсировке двигателей наддувом разрабатываются специальные меры по интенсификации охлаждения, увеличиваются коэффициенты избытка воздуха на продувку камеры сгорания и на сгорание.

Наиболее существенным фактором снижения тепловой напряженностиИзменение тепловой напряженности при форсировке двигателей является улучшение воздухоснабжения. За счет увеличения α с 1,5-2,0 до 2,2 и выше в судовых ДВС удалось сохранить ту же тепловую напряженность, что и у двигателей без наддува, при уровне форсировки до λн = 1,5-1,8.

Система охлаждения ДВС
Система охлаждения судового двигателя

Увеличение удельных расходов воздуха в двигателе ДКРН 74/160 с 4,95 до 5,6 кг/илс-час (на 11,3 %) уменьшило максимальную температуру поршня с 550 до 510 °С, температуру в зоне 1-го поршневого кольца — со 150 до 140 °С. Температура стенок ЦПГ снижается не только за счет увеличения α и φа, но и за счет снижения температуры воздуха наддува до 30-40 °С, удаления из него конденсата и рационального направления потока воздуха.

Род охлаждающей жидкости поршней и форсунок влияет на коэффициент теплоотдачи α2 от стенок к охлаждающей среде. По результатам исследований, при масляном охлаждении поршней коэффициент теплоотдачи составляет α2 2 090 Вт/м² °С, при водяном охлаждении α2 увеличивается до 2 900 Вт/м² °С. Это — одна из причин повышенной температуры поршней двигателей фирмы Бурмейстер и Вайн, имеющих масляное охлаждение поршней, по сравнению с малооборотными двигателями Зульцер, имеющими водяное охлаждение поршней. Разница составляет от 50 до 100 °С.

Влияние конструктивных факторов

С точки зрения тепловой напряженности, толщина стенок цилиндро-поршневой группы должна быть, возможно, меньшей, чтобы уменьшить термическое сопротивление стенок и улучшить теплоотвод. В то же время, при увеличении диаметра цилиндра, форсировке двигателей и росте Pz для повышения механической прочности необходимо увеличивать толщину стенок. Эти противоположные требования заставляют ограничивать максимальный диаметр цилиндров (D < 980-1080 мм), искать такие конструктивные решения деталей и узлов ЦПГ, которые обеспечивали бы надежную работу двигателя как с точки зрения механической, так и тепловой напряженности. Эти решения нашли свое выражение:

  • В применении ребер жесткости в поршне и крышке при одновременном уменьшении толщины стенок;
  • В использовании составных крышек цилиндра с горизонтальным разъемом, из которых нижняя часть служит для отвода тепла, верхняя — для противодействия механическим усилиям от давления в цилиндре (двигатели МАН старой конструкции);
  • В применении кольцевых каналов в верхней части втулки для турбулизации потока охлаждающей воды и интенсификации охлаждения;
  • В применение выточек в верхней части втулки для уменьшения толщины стенок (двигатели Зульцер типа РД);
  • В использовании цельных массивных деталей (крышки, поршня, втулки цилиндра) со сверлениями для охлаждения.

Последнее решение получило повсеместное распространение в современных конструкциях судовых дизелей. В последних модификациях двигателей распространенным решением является использование косых сверлений для охлаждения массивного “воротника” втулки, применение цельнокованных крышек со сверлениями для охлаждения и поршней ячеистого типа с охлаждением по принципу “взбалтывания” (рис. 1).

Интенсификация охлаждения поршня ДВС
Рис. 1 Конструктивные меры для интенсификации охлаждения поршня, втулки, крышки

В 4-тактных двигателях встречаются поршни с заделанными в тело металла у поверхности камеры сгорания змеевиками для охлаждения.

Толщину стенок удается снизить и за счет применения более прочного материала (высоколегированной стали). Выбором более качественного материала удается поднять и верхний уровень допустимой теплонапряженности.

Распространенными решениями стали применение хромомолибденовых сталей, покрытие втулок и поршневых колец хромом, плазменное покрытие поршней, покрытие стенок камеры сгорания теплоизоляционным материалом, стеллитовые наплавки седел и тарелок клапанов.

Наряду с нанесением теплоизоляционного материала на поверхности стенок камеры сгорания, в быстроходных дизелях в качестве теплового барьера используются специальные отражательные листы, прикрепляемые на головку поршня; прорези в головке поршня — для создания “воздушного” барьера и облегчения работы колец; размещение в толще металла поршня специальных тепловых барьеров из теплоизоляционного материала (материал размещается в форму перед заливкой металла при изготовлении поршня литьем).

Некоторого снижения температуры деталей удается добиться интенсификацией охлаждения — увеличением скорости движения воды вокруг втулки при применении винтовых каналов в верхней части втулки, использование спиральных направляющих каналов в поршне, переход на “колпачковую” конструкцию крышки (за счет чего удается снизить температуру бурта втулки), применение метода “взбалтывания” при охлаждении поршней (по исследовательским данным, переход на охлаждение взбалтыванием позволил поднять (α2 с 1 280 до 2 900 Вт/м2 °С), переход на водяное охлаждение поршней и форсунок, применение “натриевого” охлаждения клапанов и клапанов с водяным охлаждением.

Выравнивания поля температур удается добиться применением поршней с шаровидным головным соединением, в которых поршень может поворачиваться вокруг оси (двигатели Зульцер Z40/48 и 65/65). Для выравнивания поля температур клапанов и их самопритирания применяется система механического проворачивания клапанов (двигатели Пилстик типа PC). У современных малооборотных двигателей клапан проворачивается набегающим потоком газов при выхлопе с помощью импеллера на шпинделе.

Конструкция топливной аппаратуры оказывает существенное влияние на теплонапряженность. Как говорилось в статье Процессы смесеобразования в СДВС“Смесеобразование в цилиндре дизеля”, диаметр сопловых отверстий и их углы наклона должны обеспечивать соответствие формы факела и формы камеры сгорания. Если это требование не выполняется и факел ударяется в стенки камеры сгорания, то неизбежно повышение местной тепловой нагрузки.

Влияние эксплуатационных факторов

К эксплуатационным факторам, влияющим на тепловую напряженность, можно отнести режим эксплуатации двигателя, режимы ввода и вывода двигателя в работу, сорт и дозировку цилиндрового смазочного масла, температурный режим в системах охлаждения, чистоту поверхностей охлаждения (зарубашечного пространства и внутрипоршневых полостей, воздушных, водяных и масляных холодильников), состояние ТК для наддува, состояние поверхности цилиндровых втулок и поршневых колец, подвижность колец.

Режим эксплуатации двигателя зависит от внешних условий. Очевидно, что при встречном ветре и полной загрузке судна для поддержания неизменной частоты вращения необходимо увеличивать подачу топлива; при этом растет теплонапряженность. Аналогичная перегрузка главного двигателя возможна при несоответствии винта корпусу судна (так называемый “тяжелый” винт). На судах типа “Дубровник”, имевших “легкий” винт, скорость износа ЦПГ была в 8 раз меньше, чем у однотипных двигателей судов типа “Муром” с “тяжелым” винтом и одинаковой загрузкой по мощности.

При пуске непрогретого двигателя его минимально устойчивая частота вращения выше, чем у прогретой машины; соответственно больше количество сжигаемого в цилиндре топлива. Изменение температуры после пуска носит характер скачка; при этом благодаря теплоинерционности материала у поверхности с газовой стороны температура растет, в то время как остальная масса металла остается холодной. Это приводит к большим тепловым напряжениям сжатия в поверхностном слое из-за высокого градиента температур, что может явиться причиной микротрещин. Поэтому двигатель необходимо прогревать перед пуском, а вывод на режим полной нагрузки производить постепенно.

Термические напряжения при остановке определяются неодинаковой скоростью охлаждения различных частей. Скорость охлаждения в центре крышки, поршня больше, чем у периферии; скорость охлаждения крышки меньше, чем поршня. Поэтому перед остановкой или маневрами необходимо постепенно снижать нагрузку. Правилами технической эксплуатации предусмотрено снижение нагрузки главного дизеля до 50 % от номинальной постепенно (6-7 ступеней с выдержкой времени на каждой ступени 2-5 минут, если нет других указаний в инструкциях производителя или судовладельца) Как правило, программа вывода дизеля с режима полного навигационного до режима полного маневренного хода требует столько же времени, как и программа «разгона».

Читайте также: Подготовка дизелей к ремонту

После остановки двигатель должен прокачиваться водой и маслом, пока разность температур на входе и на выходе из двигателя не станет близкой нулю.

Инструкций производителей по эксплуатации современных дизелей не дают четких рекомендаций по параметрам и выдержкам времени при снижении нагрузки и остановке дизеля, однако оговаривают необходимость постепенного снижения нагрузки и параметров в системах охлаждения и смазки. Наиболее серьезная авария может произойти при остановке дизеля с полного хода, когда втулка охлаждается более интенсивно, чем поршень. Из-за уменьшения линейных размеров втулки при более интенсивном ее охлаждении возможна заклинка поршня и трещина втулки. Наиболее вероятна авария при масляном охлаждении поршня или при неохлаждаемом поршне.

С точки зрения теплонапряженности большое значение имеет обеспечение хорошей смазки ЦПГ. При неудовлетворительном качестве смазки, недостаточном ее количестве повышается коэффициент трения; соответственно растет температура стенок, увеличивается износ деталей ЦПГ.

Температурный режим в системах охлаждения подбирается в процессе заводских испытаний дизеля и должен корректироваться с учетом условий эксплуатации. Обычно при топливном охлаждении форсунокТепловое состояние и охлаждение форсунок температура их охлаждения поддерживается порядка 40-45 °С, при водяном охлаждении — 80-85 °С. В зарубашечном пространстве температура охлаждения на входе обычно поддерживалась в пределах 60-80 °С, на выходе — 65-85 °С. При применении высокосернистого топлива температурный уровень в системе охлаждения целесообразно повышать для предотвращения кислотной коррозии. Поэтому у некоторых современных ДВС температура охлаждения на входе поднята до 80 и даже 85 °С.

При постоянных условиях подвода тепла изменение температуры охлаждающей среды незначительно изменяет температуру камеры сгорания. Так, изменение температуры воды на ±20 °С привело к изменению температуры стенки с газовой стороны на ±5 °С; на стороне охлаждения изменения температуры стенки более значительны. Следовательно, при снижении Tохл температурный уровень падает, но увеличивается температурный градиент и тепловые напряжения.

Ухудшение состояния турбокомпрессора для наддува, загрязнение воздушного холодильника и всего газовыпускного тракта, ухудшение воздухоснабжения приводит к росту температуры стенок. Так, при испытаниях двигателя ДКРН 74/160 в условиях эксплуатации увеличение температуры продувочного воздуха с 34 до 44 °С привело к увеличению температуры газов с 425 до 440 °С. Температура поршня при этом увеличилась на 7-10 °С.

Состояние поверхности цилиндровой втулки и поршневых колец, подвижность колец и их взаимное расположение существенно влияет на Tст. При неплотности пары трения, когда кольцо и втулка еще не приработались, газы проникают за кольцо, повышают температуру стенки. Поэтому для нового двигателя или при замене какого-то узла ЦПГ двигателя нагрузку необходимо ограничивать на период “обкатки” (приработки узлов).

Прорыв газов под кольца наблюдается даже через “усы” для распределения смазки на поверхности зеркала цилиндра. Так, в двигателе RND-105 температура втулки оказалась на 50 °С, поршня — на 20 °С выше при наличии “усов” по сравнению со случаем, когда масляные канавки отсутствовали. Поэтому нежелательно любое изменение геометрии зеркала цилиндра при эксплуатационных ремонтах.

При загрязнении поверхностей охлаждения накипью резко увеличивается термическое сопротивление, Tст – растет, что может привести к аварии. Для предотвращения накипеобразования в охлаждающую воду вводятся химические присадки (ранее вводились специальные эмульсионные масла), предусмотрен систематический контроль качества охлаждающей воды.

Влияние различных эксплуатационных факторов на тепловую напряженность можно качественно оценить с помощью понятия “эквивалентной стенки” (рис. 2).

Температура в СДВС
Рис. 2 Изменение температуры в “эквивалентной” стенке:
а – стенка чистая; б – со стороны охлаждения имеется накипь

Понятие дается на основе зависимости для термического сопротивления при передаче тепла от газов к охлаждающей среде:

R = 1/K = 1 / α1 + δ/λ + 1/α2 = 1/λ (λ/α1 + δ + λ/α2).          Форм. 2

Если представить себе 3-слойную стенку с толщиной каждого слоя λ/α1, δ и λ/α2 и постоянной и равной для каждого слоя величиной коэффициента теплопроводности λ, то на установившемся режиме эксплуатации распределение температур в такой фиктивной (“эквивалентной”) стенке подчинится прямолинейному закону (рис. 2, а). При наличии слоя накипи стенка станет 4-слойной, а при наличии и нагара с газовой стороны — 5-слойной. Изменение количества слоев приведет к изменению уровня температур и температурных градиентов. На рис. 2, б показан случай, когда при неизменном уровне Tгаз и Tохл абсолютная температура стенки поднялась, а температурный градиент понизился за счет появления слоя накипи. Влияние нагрузки можно оценить, изменив ординату Tгаз (так как изменение нагрузки изменяет среднюю температуру газов). Аналогично учитывается изменение температуры в системе охлаждения.

Расчетная оценка тепловой напряженности

Наиболее достоверные данные о тепловой напряженности могут быть получены путем экспериментальных исследований на “горячем” двигателе. Такой путь весьма сложен и дорог.

В процессе создания двигателя, а также при анализе условий работы выполненных конструкций, широкое применение находят методы электротепловой аналогии, как на объемной, так и на плоской моделях. Последний метод используется чаще, поскольку он проще, однако дает достаточно близкие результаты к реальным.

Расчетная оценка средних значений температуры стенок камеры сгорания может быть дана на основе общего уравнения теплопередачи (Формула 1):

q = К (Трез  Тохл).

В этой формуле Tрезрезультирующая температура газов в цилиндре; это — условно постоянная температура на протяжении всего рабочего цикла, при которой обеспечивается тот же удельный тепловой поток через стенки, что и при реально изменяющейся температуре газов в цилиндре.

Так как:

q = α1 (Трез  Тст1);

q = λ/δ (Тст1  Тст2),

где:

  • α1 — средний коэффициент теплоотдачи от газов к стенке камеры сгорания;
  • Tст1 и Tст2 — средняя температура стенок камеры сгорания, — то средние температуры стенок определятся равенствами:

Тст1= Трез  q/α1;        Форм. 5

Тст2= Тст1  q δ/λ.        Форм. 6

Результирующая температура газов в цилиндре и средний коэффициент теплоотдачи определяются графоаналитическим путем. Для этого расчет индикаторного процесса дополняется расчетом температуры газов для каждого объема газов Vx (или положения поршня Sx):

Tx = Px Vx 104/(GR),         Форм. 7

где:

  • Px, Vx — давление и объем в цилиндре (определяются с помощью индикаторной диаграммы);
  • G = μL (1 + γr) — вес газов в цилиндре;
  • R — газовая постоянная.

Итог расчета температуры газов в цилиндре двигателя ДКРН 80/160 по данным действительной индикаторной диаграммы приведен на рис. 3.

Температура газов в СДВС
Рис. 3 Итоги расчета температуры газов в цилиндре дизеля K80GF

Для этих же моментов индикаторного процесса рассчитываются коэффициенты теплоотдачи α1x. Приемлемые результаты при расчетах дает «улучшенная» формула Эйхельберга:

α1 = 50,1  Cm3  PT  Pк 4 кДж/м2 час К,         Форм. 8

где:

  • Cm — средняя скорость поршня, м/с;
  • Pк — давление наддува, МПа;
  • P, T — давление и температура газов в цилиндре МПА и K.

Далее для каждой расчетной точки определяются произведения α1T, строятся графики 1T) = f(τ) и α1 = f(τ). Из графиков находятся средние значения 1T)ср и αср.

Результирующая температура находится из отношения:

Tрез= (α1T)ср/α1ср.          Форм. 9

Результирующая температура, определяющая средний тепловой поток, выше средней температуры газов за цикл, так как коэффициент теплоотдачи от газов к стенке при высоких температурах и давлениях больше, чем при низких, и носит нелинейный характер.

Обычно результирующая tрез и средняя tср температуры газов в размерности °C связаны соотношением:

  • tрез = (1,5-1,8) tср °C — для 4-тактных ДВС;
  • tрез = (1,3-1,6) tср °С — для 2-тактных ДВС.

Оценка тепловой напряженности может быть дана и другим путем — с помощью критериальных зависимостей. Так, можно записать для осредненной удельной тепловой нагрузки цилиндра:

qm = β Qm/Fц = β Gm Qн/Fц кВт/м2         Форм. 10

где:

  • Qm – общее количество теплоты от сгорания топлива, кДж/час;
  • β — доля тепла, передаваемого в охлаждающую среду;
  • Gm — часовой расход топлива на двигатель, кг/час;
  • Qн — теплотворная способность топлива, кДж/кг;
  • Fц — площадь поверхности цилиндра, м2.

Часовой расход топлива равен:

Gm = gе Nе = gе Pе Vs n i/(0,06 m) = gе Pе A (Cm/m),

где:

  • Cm = S n/30 — средняя скорость поршня, м/с;
  • m — коэффициент тактности;
  • A = 392,5 D2 i — постоянная для конкретного двигателя величина.

Подставив значение расхода топлива в формулу 10, найдем:

qm= β Qн A gе Pе Cm/(Fц m).        Форм. 11

Приняв, что при полной нагрузке однотипных ДВС относительное количество тепла в охлаждающую среду примерно одинаково (β ≈ idem), удельный расход топлива также отличается незначительно (gе ≈ idem), можно отнести эти величины к постоянной Aо:

Aо = Aβ Qн ge/Fц.

Тогда:

gm = Ao Pe Cm/m = Ao Ke.        Форм. 12

Величина:

Ke = Pe Cm/m, МПа м/с.       Форм. 13

– может служить критерием тепловой напряженности, поскольку определяет тепловую нагрузку цилиндра. В то же время, этот критерий учитывает давление в цилиндре (через величину Pe) и силы инерции (через скорость Сm). Поэтому критерий Ke является критерием и механической напряженности. Значения его находятся в пределах:

  • Ke = 12-27 — для 4-тактных ДВС без наддува;
  • Ke = 18-100 — для 4-тактных ДВС с наддувом;
  • Ke = 18-32 — для 2-тактных ДВС без наддува;
  • Ke = 32-95 — для 2-тактных ДВС с наддувом.
Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Август, 18, 2016 8466 0
Добавить комментарий

Читайте также

Текст скопирован
Пометки
Избранные статьи
Loading

Здесь будут храниться статьи, сохраненные вами в "Избранном". Статьи сохраняются в cookie, поэтому не удаляйте их.

Статья добавлена в избранное! Перезагрузка...