Файл: Тепловая напряженность, возникающая в поршневой группе главного дизельного двигателя теплохода ВолгоНефть 242 выполнена в соответствии с требованиями, указанными в задании на выполнение выпускной квалификационной работы.docx

Связь между тепловой нагрузкой и температурой на поверхности деталей устанавливается уравнениями теплоотдачи и теплопроводности:

-охл = α₁ (Т_газ – Т_ст1);

- - Форм. 2

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. 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.

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. 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.

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.

---

²

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. 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.

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

- положению топливной рейки (Т.Р.);

- температуре уходящих газов по цилиндрам;

- температуре охлаждающей воды и масла;

- перепаду температур в системах охлаждения;

- температуре воздуха; среднему индикаторному давлению; частоте вращения коленчатого.

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

---

Каково 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 сгорания.Наиболее существенным фактором снижения 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

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.

---

3 КОНСТРУКТИВНЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ЕЕ ОГРАНИЧЕНИЯ

Воздействие полезных условий с точки зрения тепловой напряженности, толщина стен цилиндро-поршневой группы обязана являться, возможно, наименьшей, для того чтобы сократить тепловое сопротивление стен а также улучшить отвод тепла.В в таком случае , при повышении диаметра цилиндра, форсировке двигателей а также увеличении Pz с целью увеличения машинной прочности следует повышать толщину стен. Эти обратные условия вынуждают сдерживать наибольший диаметр цилиндров (D < 980-1080 миллиметров), находить подобные полезные решения элементов а также конструкций ЦПГ, какие гарантировали б прочную труд двигателя равно как с места зрения механической, а также тепловой напряженности.

Эти постановления нашли собственное выражение:
- В использовании ребер жесткости в поршне а также крышке при синхронном уменьшении толщины стен;
- В применении составных крышек цилиндра вместе с горизонтальным разъемом, с которых нижняя доля предназначается с целью отвода тепла, верхняя с целью противодействия механическим действиям от давления в цилиндре (двигатели МАН старой системы);
- В использовании кольцевых каналов в верхней составляющей втулки с целью турбулизации струи охлаждающей воды а также интенсификации остывания; В использование выточек в верхней составляющей втулки с целью снижения толщины стен (двигатели Зульцер вида РД);

- В применении целостных мощных деталей (крышки, поршня, втулки цилиндра) с сверлениями с целью охлаждения. Заключительное разрешение приобрело повсеместное продвижение в нынешних системах судовых дизелей. В минувших вариациях двигателей популярным заключением считается применение косых сверлений с целью охлаждения массивного “воротника” втулки, использование цельнокованных крышек с сверлениями с целью охлаждения а также поршней ячеистого вида вместе с охлаждением согласно принципу “взбалтывания” (рисунок 1)

Конструктивные меры с целью интенсификации охлаждения поршня, втулки, крышки в четырехтактных двигателях попадаются поршни вместе с заделанными в тело сплава у поверхности камеры сгорания змеевиками с целью охлаждения. Толщину стен получается уменьшить а также из-за результат использования наиболее крепкого материала (высоколегированной начали). Подбором наиболее высококачественного материала получается увеличить и наружный степень возможной теплонапряженности.

---

Известными решениями начали использование хромомолибденовых сталей, покрытие втулок а также поршеньковых колец хромоногом, плазменное покрытие поршней, покрытие стен камеры сгорания теплоизоляционным материалом, стеллитовые наплавки сивел а также тарелок клапанов. Наравне с нанесением теплоизоляционного использованного материала в поверхности стен камеры сгорания, в быстроходных дизелях в качестве термического барьера применяются специализированные отражающие листы,прикрепляемые в головку поршня; прорези в головке поршня с целью формирования “воздушного” барьера а также облегчения деятельность колец; расположение в толще сплава поршня специализированных тепловых барьеров с теплоизоляционного использованного материала (использованный материал располагается в форму перед заливкой сплава присутствие производстве поршня литьем).Определенного уменьшения температуры элементов получается достичь интенсификацией охлаждения увеличением скорости перемещения воды около втулки при использовании винтовых каналов в верхней составляющей втулки, применение спиральных обращающих каналов в поршне, трансформация в “колпачковую” систему крышки (за счет чего получается уменьшить температуру бурта втулки), использование метода “взбалтывания” при охлаждении поршней (согласно экспериментальным сведениям, трансформация в охлаждение взбалтыванием позволил увеличить (α₂ с 1 280 вплоть до 2 900 Вт/м² °С), переход в водяное охлаждение поршней а также форсунок, использование “натриевого” охлаждения клапанов и клапанов вместе с водяным охлаждением.

Выравнивания поля температур получается достичь применением поршней вместе с шаровидным головным соединением, в которых поршень способен вращаться около оси (двигатели Зульцер Z40/48 а также 65/65). С целью выравнивания поля температур клапанов а также их самопритирания используется концепция автоматического проворачивания клапанов (двигатели Пилстик вида PC). При нынешних малооборотных двигателей клапан проворачивается набегающим потоком газов присутствие выхлопе вместе с поддержкой импеллера в шпинделе. Система топливной аппаратуры проявляет значительное воздействие в теплонапряженность. Равно как говорилось в заметке “Смесеобразование в цилиндре дизеля”, диаметр сопловых отверстий а также их углы наклона обязаны гарантировать соотношение формы факела а также формы камеры сгорания

---