Укажите что относится к показателям теплонапряженности двигателя
Теплонапряженность
Тепловое состояние ЦПГ, определяющее работоспособность и надежность ее деталей в эксплуатации, называется теплонапряженностью цилиндра. Температура нагрева деталей в районе камеры сгорания ( втулка цилиндра, дно крышки цилиндра, дно поршня, район 1-го поршневого кольца, тарелки клапанов газораспределения) имеют различную температуру по причине различных термических сопротивлений, подвода и отвода тепла. Неодинаково эти детали прогреваются в осевом и радиальном направлении, 
что приводит к высоким тепловым напряжениям и может привести к трещинам и полному разрушению.
Сохранение масляной пленки на стенках втулки цилиндров, в зоне первого поршневого кольца обеспечивается температурой не выше 200-220 С. Это значение обеспечивается контролем по косвенным показателям- температурой выхлопных газов и температурой охлаждения, средним эффективным давлением.
Ответить на следующие вопросы:
1. дать определение теплового баланса двигателя.
2. объяснить почему невозможно получить 100% полезной работы от подведенного топлива.
3. понятие теплонапряженности ДВС
4. какие конструктивные меры принимают для снижения теплонапряженности деталей.
5. какие эксплуатационные меры ограничивают теплонапряженность ДВС.
3.6 основы теории ДВС 2012
Определение пути,скорости и ускорения поршня.
В поршневых ДВС кривошипно-шатунный механизм преобразует поступательное движениерабочих поршней во вращательное движение коленчатого вала. В практике дизелестроения используют разные варианты конструкций КШМ, среди которых имеются и очень сложные.
В зависимости от особенностей требований к судовым дизелям применяют три типа КШМ:
Движущиеся части КШМ имеют ускорения, возникают силы инерции, которые необходимо учитывать при расчетах деталей двигателя на прочность.
Оценка тепловой напряженности поршневого двигателя после его перевода на газ
Введение
На сегодняшний день применение газомоторного топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) становится все актуальнее ввиду ряда преимуществ двигателей, работающих на газе. Основные положительные эффекты газопоршневых двигателей перед традиционными (бензиновыми или дизельными) заключаются в их лучшей экологичности и экономичности 2. Большинство специалистов основное внимание уделяют исследованию рабочих процессов газопоршневых двигателей, совершенствованию процессов сгорания, настройке систем управления, улучшению их экологичности и т.д.
6. Однако, довольно мало публикаций посвящено оценке температурных и механических нагрузок ДВС при их работе на газомоторном топливе [7, 8]. При этом, можно предположить, что теплонапряженность газопоршневого двигателя будет существенно отличаться от традиционных ДВС ввиду того, что газомоторное топливо имеет другие физико-химические свойства (в частности, более высокую теплоту сгорания) по сравнению с бензинами.
Основная цель данной статьи состоит в сравнительном анализе температурных напряжений основных деталей и узлов поршневого ДВС (бензин) после его перевода на газомоторное топливо (метан) на основе физико-математического моделирования рабочих процессов.
Постановка задачи исследования
Исследования проводились с помощью программного комплекса Дизель-РК (НИУ МГТУ имени Н.Э. Баумана). Выполнялось физико-математическое моделирование рабочего цикла двигателя 8Ч 9,2/8,8, работающего на разных видах топлива (бензине и метане). Исследуемый ДВС – это 8-ицилиндровый, V-образный, 4-хтактный, карбюраторный, двигатель без наддува со следующими основными характеристиками:
– номинальная мощность Ne – 91,2 кВт при 3200-3400 мин-1;
– максимальный крутящий момент Me – 298 Н•м при 1600-2000 мин-1.
Сначала была проведена настройка математической модели базового двигателя, работающего на бензине, по следующим параметрам: фазы газораспределения, конфигурация газовоздушной системы, процесс сгорания, конструктивные особенности цилиндропоршневой группы и т.д. В результате были сопоставлены скоростные характеристики (по мощности, крутящему моменту и расходу топлива) двигателя-прототипа (данные из руководства по эксплуатации) и базового двигателя (данные Дизель-РК), отличия в которых не превышали 5-7%.
Исследования проводились в диапазоне частот коленчатого вала n от 1000 до 3400 мин-1 при стандартных атмосферных условиях. Ключевыми параметрами, на основании которых производился анализ теплонапряженного состояния двигателей являлись средняя температура отработавших газов Тог, средняя температура стенки выпускного коллектора Твып.к, максимальные давление рz и температура Тz, средняя температура огневого днища поршня Тп и средняя температура огневой поверхности головки блока Тг.
Таким образом, сравнительный анализ теплонапряженности осуществлялся для трех двигателей: 1) базовый ДВС (бензин, степень сжатия ε = 7,6); 2) поршневой ДВС, переведенный на газомоторное топливо (метан, ε = 7,6);
3) газопоршневой ДВС (метан, ε = 15).
Газопоршневой двигатель, работающий на метане со степенью сжатия 15, был выбран для сравнения на основе предыдущих исследований [6]. Этот двигатель показал наилучшие результаты по технико-экономическим показателям. Поэтому было целесообразно дополнительно оценить его теплонапряженность.
Результаты физико-математического моделирования
На рис. 1 представлены зависимости средних температур отработавших газов и стенки выпускного коллектора для трех рассматриваемых двигателей.
Рис. 1. Зависимости средней температуры отработавших газов Тог (а) и средней температуры стенки выпускного коллектора Твып.к (б) от частоты вращения коленчатого вала n для разных двигателей: 1 – бензиновый ДВС (ε = 7,6); 2 – газовый ДВС (ε = 7,6); 3 – газовый ДВС (ε = 15)
Из рис. 1 видно, что после перевода бензинового двигателя на газомоторное топливо температуры отработавших газов и стенки выпускного коллектора фактически не изменяются (отличия в температурах не превышают 1%, что сопоставимо с погрешность математической модели). При этом, следует отметить, что повышение степени сжатия газопоршневого двигателя с 7,6 до 15 приводит к существенному снижению температуры отработавших газов и стенки выпускного коллектора, которое может достигать 21% по сравнению с базовым двигателем (бензин).
На рис. 2 показаны зависимости максимальных давлений и температуры циклов для трех исследуемых двигателей.
Рис. 2. Зависимости максимальных давления рz (а) и температуры Тz (б) цикла от частоты вращения коленвала n для разных двигателей: 1 – бензиновый ДВС (ε = 7,6); 2 – газовый ДВС
(ε = 7,6); 3 – газовый ДВС (ε = 15)
На рис. 3 представлены зависимости температур огневого днища поршня и огневой поверхности головки блока для трех рассматриваемых двигателей.
Рис. 3. Зависимости средней температуры огневого днища поршня Тп (а) и средней температуры огневой поверхности головки блока Тг (б) от частоты вращения коленвала n для разных ДВС: 1 – бензиновый ДВС (ε = 7,6); 2 – газовый ДВС (ε = 7,6); 3 – газовый ДВС (ε = 15)
Заключение
На основании проведенного исследования можно сделать следующие основные выводы:
– в программе Дизель-РК разработаны математические модели поршневых двигателей, работающих на разных видах топлива (бензин и метан), а также проведена их настройка;
– показано, что перевод бензинового двигателя на газомоторное топливо (метан) не вызывает увеличения тепловых напряжений в основных деталях и узлах ДВС, а наоборот, в большинстве случаев происходит некоторое снижение температур (в диапазоне 1-2%);
– установлено, что повышение степени сжатия газопоршневого двигателя с 7,6 до 15 приводит к снижению удельного расхода топлива вплоть до 30% [6] при значительном увеличении тепловой и механической напряженности основных деталей поршневой группы и коленчатого вала (на 30-55%), вызванной ростом максимального давления цикла до 80% (по сравнению с базовым двигателем).
Таким образом, перевод бензинового двигателя на газомоторное топливо (метан) не вызывает роста теплонапряженности его основных деталей и узлов. При этом, улучшение технико-экономических показателей газопоршневых двигателей за счет увеличения степени сжатия требует внимательной оценки прочности основных деталей ДВС.
Авторы:
Осипов Леонид Евгеньевич, магистр каф. «Турбины и двигатели», УрФУ, Россия, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19.
Плотников Леонид Валерьевич, канд. техн. наук, доцент каф. «Турбины и двигатели», УрФУ
Козубский Андрей Михайлович, канд. техн. наук, главный конструктор по гидравлическим экскаваторам, ПАО «Уралмашзавод»; инженер кафедры «Подъемно-транспортные машины и роботы», УрФУ
Библиография:
1. Кавтарадзе Р.З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород. Монография. Москва: Изд-во МГТУ имени Н.Э. Баумана. 2011. 240 с.
2. Лукшо В.А. О повышении топливной экономичности автотранспортных средств с газовыми двигателями // Труды НАМИ. 2014. № 257. С. 124-138.
3. Разинькова А.В. Газовый двигатель как веление времени // Твердые бытовые отходы. 2014. № 11 (101). С. 24-25.
4. Захарчук В.И., Козачук И.С., Захарчук О.В. Эколого-экономическое обоснование целесообразности переоборудования дизелей в газовые двигатели с искровым зажиганием // АвтоГазоЗаправочный комплекс + Альтернативное топливо. 2008. № 2 (38). С. 28-30.
5. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Голосов А.С., Шибанов А.В. Влияние формы полуразделенной камеры сгорания на образование оксидов азота в газовом двигателе // Транспорт на альтернативном топливе. 2016. № 5 (53). С. 31-39.
6. Плотников Л.В., Козубский А.М., Максименко А.Г., Осипов Л.Е. Оценка топливной экономичности поршневых двигателей после их перевода на газомоторное топливо // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2019. № 2. С. 85-89.
7. Паничкин А.В., Голубенко Н.В. Оценка ресурса двигателя автобусов, работающих на газовом топливе, эксплуатируемых в режиме городских перевозок пассажиров // Мир транспорта и технологических машин. 2015. № 3 (50). С. 123-129.
8. Скоробогатый К.В. Перевод дизельных двигателей на газовое топливо для работы в условиях Сибири // Автотранспортное предприятие. 2012. № 8. С. 24-26.
9. Карасик А.Б. Конструирование и оценка прочности основных деталей двигателей внутреннего сгорания: учебное пособие. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2003. 265 с.
Анализ теплонапряженности судовых дизелей
¡Выпуск 4 УДК 621. 436. 038. 6Л. В. Тузов, д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
В. И. Брежнев, аспирант,
Based on the concept of “calorific”, which involves the consideration of efficiency and reliability of diesel engines.
АМО представление о содержании термина «теплонапряженность» неоднозначно, отличаясь у разных авторов (учебников, монографий, статей) столь значительно, что по существу одним термином обозначаются различные по своим физическим и количественным характеристикам явления и воздействия, влияющие на работоспособность и надежность дизеля.
«>
Из тех же предпосылок исходит и проф. А. К. Костин, принимая за критерий теплонапряжен-ности, как и В. А. Ваншейдт, средний удельный тепловой поток через стенки деталей и среднюю температуру поверхности стенки (2). Основываясь на таких представлениях, выведена известная формула для оценки теплонапряженности поршня и всего двигателя, являющаяся в сущности модификацией зависимости осредненного теплового потока от параметров эффективности и экономичности: где Ь — 1,78 для двухтактного дизеля
и Ь — 1,0 для четырехтактного дизеля;
D — диаметр цилиндра, дм;
C — средняя скорость поршня, м/с;
£в — удельный расход топлива, кг/м2;
Рв — ср. эфф. давление кг/см2;
Pk, Tk — давление и температура воздуха перед впускными органами.
«>
Под нагрузкой двигателя понимается величина крутящего момента или эквивалентная величина среднего эффективного давления. Нагрузка является одним из показателей режима работы двигателя. Тепловое состояние двигателя и его деталей характеризуется уровнем температур. Локальные, а не средние температуры деталей определяют температурное состояние детали и величину предела прочности материала, из которого она изготовлена. Общая напряженность двигателя, как интегральный критерий сравнительной оценки работоспособности двигателя, охватывает совокупное влияние теплонапряженности и механических напряжений.
«>
Изыскание такого всеобъемлющего критерия — задача черезвычайно сложная, до сих пор еще не решенная. Практически прибегают к упрощениям и использованию показателей, которые с различной степенью приближения отражают реальные условия работы деталей двигателя. Непосредственное измерение температур и температурных напряжений во время эксплуатации двигателя доступно лишь в условиях специальных исследовательских лабораторий. Но и эти измерения дают осредненные показатели на определенных установившихся режимах работы. Вместе с тем периодический характер рабочего процесса предопределяет пульсирующее воздействие механических нагрузок и тепловых потоков на стенки цилиндра, поршень и другие детали. Сами детали отличаются сложностью конструктивных форм, подвергаются различному по интенсивности воздействию тепловых потоков, что приводит к неравномерному распределению температур и напряжений в различных участках. Процесс теплопередачи усложняется воздействием теплопроводности, конвективного и лучистого теплообмена. Все это создает дополнительные трудности непосредственного определения теплонапряженности, показатели которой могут быть оценены с некоторыми приближениями при существенном упрощении действительной картины теплопередачи.
«>
Расчеты всех основных деталей двигателя на прочность, как и сравнительная оценка напряженности различных двигателей, производятся применительно к установившимся режимам работы без учета циклических колебаний температуры, давления, крутящего момента и частоты вращения вала.
Строго говоря, двигатель никогда не работает в стационарном режиме. Чаще речь идет об установившемся или стационарном режимах, имеется в виду сохранение постоянства амплитуд показателей, изменение которых обусловлено импульсным характером рабочего процесса поршневого двигателя. Динамические напряжения, возникающие при периодическом изменении величин Выпуск 4 ¡Выпуск 4
усилий, могут явиться причиной перенапряжений деталей и появления усталостных деформаций. Все это указывает на необходимость учета влияния периодического изменения крутящего момента, давления и температур при оценке напряженности двигателя. В еще большей мере влияет на напряженность работа двигателя на неустановившихся и переходных режимах. Так, например, после пуска двигателя отмечается интенсивный рост сжимающих напряжений в головке поршня, затем при изменении нагрузки соответственно изменяются и напряжения. Колебание сжимающих и растягивающих напряжений могут явиться причиной появления трещин и даже разрушений наиболее напряженных участков деталей двигателя.
«>
Характерные нестационарные условия работы судового двигателя возникают в штормовых условиях, при частых изменениях режимов работы, остановках и пусках, что является нормой для работы дизелей 12ЧН 18/20 на кораблях с подводными крыльями. После остановки с последующим пуском двигателя в течение некоторого времени сохраняется знакопеременный характер изменения напряжений, в широких пределах изменяется температура выпускных газов, температура поршня и втулки цилиндра. После перехода на установившийся режим параметры рабочего процесса сравнительно быстро стабилизируются, но в течение некоторого времени продолжают действовать переменные по величине и направлению напряжения. Чем резче переход от одного режима к другому, тем больше амплитуда колебаний температур и температурных напряжений. Колебательный характер изменения режимов работы, периодический процесс перехода от одного неустановившегося режима к другому, вызывая непрерывную нестационарность, создает условия повышенной напряженности в пределах допустимой нагрузки двигателя.
«>
Экспериментальные исследования показывают, что на неустановившихся режимах величина тепловых потоков через днище поршня может превышать в 2,5 и более раз значения, зарегистрированные на установившемся режиме. Аналогично изменяются температурные напряжения днища поршня.
При рассмотрении причин поломок и повреждений, равно как и при анализе теплонапря-женности деталей с целью оценки их надежности, недостаточно учитывать величины нагрузки, температур и температурных напряжений на установившемся режиме. Следует принимать во внимание также влияние нестационарности режимов, особенности использования двигателя в характерных условиях данной энергетической установки, обусловливающих определенный ритм и частоту изменения режимов работы, а следовательно, и определенную интенсивность воздействия нестационарности.
«>
Разумеется, что реальные возможности учета нестационарности затруднительны не только вследствие недостаточной изученности воздействия нестационарного ™ на весь комплекс факторов, влияющих на надежность, отсутствия необходимых количественных взаимозависимостей, но также из-за многообразия проявлений нестационарности применительно к различным дизельным установкам.
Как уже указывалось выше, теплонапряженность является комплексным показателем, величину которого нельзя оценить однозначной величиной. Очевидно, что попытку количественно сопоставить уровни теплонапряженности различных деталей двигателя или разных двигателей каким-либо одним параметром нельзя признать правомерной.
При оценке теплонапряженности деталей следует учитывать уровни температур, температурных напряжений, условия работы, качество материала, особенности взаимодействия с другими элементами двигателя, условия охлаждения, смазки и т. д. Поэтому необходимо индивидуально подходить к учету всех перечисленных обстоятельств каждой рассматриваемой детали данного дизеля в конкретных эксплуатационных условиях.
В П/О «Звезда» проводились весьма ограниченные экспериментальные исследования тепло-напряженности двигателей 12ЧН 18/20. Ограниченность экспериментов связана с тем, что, во-первых, исследованию подверглись не все многочисленные модификации дизелей 12ЧН 18/20, представляющие весьма широкий спектр двигателей различной форсировки, отличающиеся по мощности, частоте вращения, применяемой схеме и степени наддува, конструктивным особенностям,
назначению и условиям эксплуатации. Во-вторых, исследование теплонапряженности ограничивалось регистрацией температурных полей. Поэтому с учетом полученных данных исследования можно лишь в первом приближении судить о тепловых условиях работы деталей двигателя и их теплонапряженности.
Наиболее напряженными в тепловом отношении являются детали цилиндропоршневой группы. Уровень максимальных температур детали характеризует условия работы материала, из которого изготовлена деталь, и предел прочности. Для алюминиевых сплавов, для которых изготовлены поршни дизелей 12ЧН 18/20, допустимые максимальные температуры, обеспечивающие длительную работу, находятся в пределах 350-400 °С. Максимальная температура отмечается в центральной части головки поршня и для разных модификаций двигателя составляет 250-350 °С.
Таким образом, следует считать, что максимальная температура поршня не превышает рекомендуемых пределов. Но о работе поршня следует судить не только по максимальной и тем более не по средней температуре поверхности поршня, а прежде всего по температуре в зоне верхнего поршневого кольца. Если в районе канавки верхнего кольца температура превышает 220-240 °С, то при продолжительной работе двигателя создаются благоприятные условия для интенсивной полимеризации смазочного масла, пригорания кольца, повышенного прорыва газов в картер, перегрева нижних участков поршня, что может вызвать задиры поршня и гильзы цилиндра.
К таким же последствиям приводит интенсивное нагарообразование при повышенных температурах в зоне поршневых колец. Накопление нагара вызывает повышение потери на трение, усиление износа боковых поверхностей канавок. Предельно допустимая температура в зоне поршневого кольца зависит от качества смазочного масла и, в частности, от количества и эффективности антинагарных и моющих присадок.
Распределение температур в различных участках поршня дизеля 12ЧН 18/20 по данным исследования показано на рис. 1. На режиме нормальной мощности дизеля 500 кВт при 1500 об/мин температура в зоне канавки верхнего поршневого кольца составляет 195 °С, а максимальная температура поршня при этом не превышает 250 °С.
Рис. 1. Зависимость температуры t (°С) поршня двигателя 12ЧН 18/20 от нагрузки N (кВт) ц = 1500 мин
Рис. 2. Распределение температур і (°С) поршня М401
Применительно к дизелям 12ЧН 18/20 следует учитывать еще одну характерную особенность, которая может вызвать повышенную теплонапряженность поршня и других деталей. Известно, что между уровнем температур деталей двигателя и температурой выпускных газов отмечается прямая зависимость. Вместе с тем у дизелей 12ЧН 18/20 имеется значительное отклонение температур выпускных газов по отдельным цилиндрам и группам блоков. Так, например, при средней температуре выпускных газов 612 °С по группам цилиндра она составляет: 657 °С в первой группе цилиндров левого блока;
620 °С во второй группе цилиндров левого блока;
608 °С в первой группе цилиндров правого блока;
562° С во второй группе цилиндров правого блока.
Приведенные данные относятся к режиму N = 450 кВт и п = 1500 об/мин. На номинальном режиме расхождение превышает 100 °С. Очевидно, что температура поршня в лимитирующих зонах также отличается в разных цилиндрах и это обстоятельство, безусловно, отрицательно сказывается на надежности дизеля в целом. Уровень температур цилиндровых гильз и головок цилиндра ниже температур поршня. Максимальные величины составляют соответственно 150 и 180 °С.
Следует учитывать, что экспериментально замеренные температуры деталей в стендовых условиях могут отличаться от температур тех же деталей в условиях эксплуатации, когда под воздействием нестационарности, периодических перегрузок, неравномерности распределения нагрузок и прочего фактические температуры и температурные напряжения могут значительно превосходить стендовые значения. Кроме того, полученная экспериментальная температура в одном из цилиндров может существенно отличаться от температур в других цилиндрах, особенно если учесть указанную неравномерность распределения нагрузок и температур выпускных газов дви
гателей 12ЧН 18/20. Видимо, этим объясняется отличие приведенных на рис. 2 данных о температурах поршня от экспериментально полученного распределения температур на рис. 3, где максимальная температура поршня в центральной части днища составляет не 280, а 370 °С, хотя в зоне канавки верхнего поршневого пальца температура в этом случае не превышает 240 °С.
Рис. 3. Распределение температур і (°С) поршня двигателя 12ЧН 18/20
На рис. 4 приведены зависимости температуры деталей дизеля 12ЧН 18/20 от температуры охлаждающей воды (отличаются от приведенных на рис. 2 и 3). При і = 90 °С температура поршня составляет: в центре днища 265 °С, в районе канавки верхнего кольца 220 °С. Максимальная температура крышки не превышает 180 °С, а температура гильзы цилиндра в районе остановки верхнего поршневого кольца в ВМТ составляет 145 °С. Выпуск 4 ¡Выпуск 4
Приведенные данные по термометрированию двигателей 12ЧН 18/20, полученные в исследовательских лабораториях завода, позволяют лишь весьма приблизительно судить о действительном состоянии теплонапряженности двигателей. Они отличаются неоднородностью полученных результатов и неполнотой информации, необходимой для суждения о степени теплонапряженности деталей разных модификаций двигателей 12ЧН 18/20 в эксплуатационных условиях. Список литературы
1. Ванштейдт В. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания / В. А. Ванштейдт. — Л.: Судостроение, 1977. — 392 а
2. ДВС: Теория поршневых и комбинированных двигателей: учебник втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин (др.);
под ред. А. С. Орлина, М. Г. Бруглова. — М.: Машиностроение, 1983. — 372 ^
3. Брук М. А. Инженерные основы эксплуатации ДВС: учеб. пособие / СЗПИ. — Л., 1976. —