Тепловой баланс и тепловая напряженность детале

ЛЕКЦИЯ 11
Тепловой баланс и тепловая напряженность
деталей двигателя
Q1  Qe  Qохл  Qг  Qнс  Qм  Qост  Qмех
где Q1 - общее количество теплоты, введенное в
двигатель топливом на заданном режиме; Qe - теплота,
эквивалентная эффективной работе двигателя; Qохл теплота, отданная охлаждающей среде; Qг - теплота,
уносимая из двигателя с отработавшими газами; Qнс - часть
теплоты топлива, теряемой вследствие неполного его
Q-ост
сгорания;
-Q
теплота,
отданная маслу;
остаточный
м
член, определяющий потери, не учтенные составляющими
Qмехпотери.
теплового баланса,
- механические
Тепловой баланс можно определять в процентах от
всего количества введенной теплоты. Тогда
q e  Qe / Q1 100 ; q охл  Qохл / Q1 100 ; q г  Qг / Q1 100 ; 

q нс  Qнс / Q1 100 ; q м  Qм / Q1 100 ; q ост  Qост / Q1 100 .
Очевидно
qe  qохл  qг  qнс  qм  qост  100 %
Общее количество теплоты, израсходованной в течение 1 с,
Q1  H и G т
где G т - в кг/с, а H и - в Дж/кг.
Теплота (в Дж/с), эквивалентная эффективной мощности (в
Вт)
Qe  N e
Теплоту, передаваемую охлаждающей среде через
стенки цилиндра, головку блока цилиндров, поршень и
поршневые кольца, можно определить по уравнению
Qохл  Gохл сохл (t вых  t вх )
где Gохл - количество охлаждающего вещества, прошедшего
через двигатель, кг/с; сохл - теплоемкость вещества (для вод
с = - 4186 Дж/кг); tвых- температура охлаждающего вещест
в
на выходе из двигателя, °С; t вх - то же на входе в
двигатель, ° С.
Рис. 11.1. Схема внутреннего баланса теплоты двигателя:
Q1 - теплота, полученная при сгорании топлива, Q - теплота, эквивалентная
i
индикаторной работе двигателя; Qe - теплота, эквивалентная эффективной
работе двигателя; Qст - теплота, переданная стенкам, ограничивающим
внутрицилиндровый объем;Qохл - теплота, отданная охлаждающей среде;
Q - общее количество теплоты, содержащейся в отработавших газах; Q мех
теплота, эквивалентная работе, затрачиваемой на трение и привод
вспомогательных механизмов; Qтр - теплота, переданная охлаждающей среде
вследствие трения поршня и колец; Qнс - часть теплоты топлива, теряемой
из-за химической неполноты сгорания; Qост - остаточный член; QW - теплота,
соответствующая кинетической энергии отработавших газов; Qл — теплота,
теряемая вследствие лучеиспускания;Qвп - теплота, отдаваемая
отработавшими газами в охлаждающую систему в выпускном патрубке; Qг теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами
Теплота, унесенная отработавшими газами,
Qг  Gт [M 2 (cp )tг  M1 (c p )t0 ]
где Gт M 2 (cp )tг - количество теплоты, удаленной из
цилиндра с отработавшими газами, Дж/с; Gт M1 (c p )t0 количество теплоты, введенной в цилиндр двигателя со
свежим зарядом, Дж/с; cp и c p - мольные теплоемкости
при постоянном давлении соответственно продуктов
сгорания и свежего заряда, Дж/(кмоль°С)]; t г температура отработавших газов, измеренная за
выпускным патрубком, °С; t 0 - температура свежего
заряда на впуске в цилиндр двигателя, °С.
Теплоту Qм определяют путем измерения количества
теплоты, отданной маслом воде в масляном холодильнике.
Величину Qнг при   1 обычно отдельно не
подсчитывают и включают в остаточный член Qост ,
который определяют по разности:
Qост  Q1  (Qе  Qохл  Qг  Qм )
Если испытания проводятся при   1 , то не
выделившуюся из-за неполноты сгорания теплоту
подсчитывают по выражению
Qнc  (H и ) хим Gт
где H и = А (1-)LO
При k  0,5  0,45 A  114106 ;при k  0,3
A  116 106
Таблица 11.1
Составляющие теплового баланса (в %)
Двигатель
qe  e
С искровым 21 - 28
зажигание 29 - 42
м
35 - 45
Дизель:
без наддува
с наддувом
qост
12 - 27
15 - 35
10 - 25
qг
qн.с qохл
30 55
25 45
25 40
0 - 45 3 - 10
0-5 2-5
0-5 2-5
На рис. 11.2, а показана зависимость
составляющих теплового баланса от частоты
вращения карбюраторного двигателя ГАЗ-53.
Рис. 11.2 составляющие теплового баланса
С повышением частоты вращения
увеличивается эффективно использованная
теплота с 20 до 24%. Количество теплоты Qохл с
ростом частоты вращения снижается с 30 до 20%
при значительном увеличении теплоты Qг .
Теплота Qнс имеет наибольшее значение при n
=1200÷1600 об/мин. Теплота Qм , совместно с Qост
составляет при средней частоте вращения около
10%, увеличиваясь при повышении и снижении
частоты.
На рис. 11.2, б приведена нагрузочная
характеристика двигателя ГАЗ-53. В верхней части
рисунка показано изменение коэффициента α в
зависимости от нагрузки.
Зависимость составляющих теплового баланса
от нагрузки в дизеле ЯМЗ-238Н с наддувом при
n =2100 об/мин показана на рис. 11.2, в.
Эффективно используемая теплота составляет
36%.
При изменении нагрузки от полной до 50%
эффективный КПД, определяемый величиной qe ,
меняется всего на 2% от его максимального
значения, достигаемого при Ne  0,88 Ne max . В
охлаждающую среду отводится теплоты от 17%
при полной нагрузке до 23% при Ne  0,5 Ne max с
отработавшими газами соответственно от 39 до
33%. Характер изменения составляющих
теплового баланса по скоростной характеристике
дизеля показан на рис. 11.2, г.
11.2 Тепловая напряженность
Современная
тенденция
развития
быстроходных автотракторных двигателей
характерна стремлением их форсирования по
скоростному
режиму
и
среднему
эффективному давлению. Такое направление
развития приводит к росту механических и
тепловых нагрузок. Последние главным
образом и определяют предел форсирования
двигателя.
Тепловая
напряженность
двигателя
характеризует уровень температуры его
основных деталей и определяет допускаемую
из
условий
прочности
применяемых
материалов термическую нагрузку для них.
Тепловая
напряженность
характеризует
также условия работы трущихся пар.
В наиболее сложных условиях по тепловой
напряженности находятся огневые днища головки
блока цилиндров и поршня, температурные поля
которых характеризуются значительной неравномерностью в различных зонах. Температура
поверхности этих деталей и особенно поршня
существенно влияет на условия эксплуатации
двигателя и его надежность. Перегрев поршня,
если при этом недостаточно хорошо смазываются
сопряженные детали, вызывает закоксовывание
колец, задиры рабочей поверхности поршня и
гильзы
и
другие
дефекты.
Вследствие
неравномерного поля температур в днище
поршня и головке они деформируются, а степень
тепловой напряженности их в зонах с разными
температурами неодинакова, в результате чего
возникают трещины и прогар в отдельных местах.
Достижения оптимальных условий по тепловому
состоянию форсированного двигателя определяются
рациональной
конструкцией
тепловоспринимающих
деталей, полостей охлаждения и параметрами агрегатов
системы охлаждения. Большое значение имеет также
правильное соотношение между количеством теплоты,
отдаваемой в охлаждающую двигатель среду и удаляемой
из цилиндра с отработавшими газами. Особенно в случае
газотурбинного наддува рациональное распределение
отвода
теплоты
способствует
повышению
теплоиспользования и, следовательно, форсированию
двигателя. При этом путем ввода в цилиндр большего
массового количества воздуха и соответственно (для
дизеля) работы на больших нагрузках с более высоким
значением  можно существенно
снизить тепловую
напряженность двигателя.
Таким образом, изучение факторов, влияющих на
тепловую напряженность ответственных деталей двигателя
имеет большое значение для обеспечения надежной его
эксплуатации.
В двигателе внутреннего сгорания тепловая
напряженность основных деталей определяется
величиной и характером протекания тепловых
потоков. Конструктивная сложность деталей, различие условий охлаждения по поверхности деталей,
неоднородность термодинамических параметров
рабочего тела по объему камеры сгорания приводят к
тому, что условия теплоотдачи по поверхности
деталей,
ограничивающих
внутрицилиндровый
объем, неодинаковы. Вследствие этого тепловые
потоки, проходящие через отдельные участки
теплопередающей
поверхности,
различны.
В
процессе осуществления цикла теплопередающая
поверхность меняется. Указанные и другие факторы,
сопутствующие протеканию отдельных стадий цикла
(вихревое
течение
газов,
гидродинамические
процессы при впуске и выпуске, изменение
состояния рабочего тела при сгорании и т. д.)
существенно влияют на характер тепловых потоков.
Удельный тепловой поток в Вт/м2
Q
q
F
где Q - количество теплоты, проходящей через
рассматриваемую поверхность детали, Вт; F —
рассматриваемый участок поверхности, м2.
Тепловые потоки в двигателе имеют ярко
выраженный нестационарный характер.
Рис. 11.3. Характер изменения удельного теплового потока от
рабочего тела к днищу головки блока цилиндра дизеля:
n  2100 об/мин; pк  0,175 МПа;  = 1,55;  ГСР  950 Вт/(м2оС);
qWcp  640 103 Вт/м2
На рис. 11.3 в качестве примера показан характер удельного
теплового потока от рабочего тела, находящегося в цилиндре, к стенке
в зависимости от времени (угла поворота коленчатого вала четырехтактного автомобильного двигателя типа ЯМЗ).
При
впуске
вследствие
того,
что
температура поступающего воздуха ниже
температуры поверхности, ограничивающей
внутрицилиндровый объем, теплота от стенок
передается воздуху. Затем в процессе сжатия
по мере повышения температуры свежего
заряда начинается отвод теплоты от него в
стенки. Количество передаваемой теплоты в
стенки значительно возрастает в период
сгорания. При расширении вплоть до выпуска
отработавших газов отвод теплоты в стенки
продолжается.
На рис. 11.3 приведены также значения
средней температуры газа в цилиндре,
подсчитанной
по
характеристическому
уравнению по индикаторной диаграмме,
средней
температуры
стенки
в
рассматриваемой зоне t  , измеренной
термопарой.
На
графике
показана
зависимость коэффициента теплоотдачи от
газа к стенке от угла поворота коленчатого
вала, подсчитанная по уравнению
 гб  q /(tг  t )
Распределение отдачи теплоты в стенки по стадиям цикла
приведено в табл. 11.2.
Таблица 11.2
Количество теплоты, переданной тепловоспринимающей
поверхности в различные стадии цикла.
Количество теплоты, %
Двигатель
Сжатие
С искровым зажиганием Дизель
1,0 – 2,0
5,0 – 8,0
Рабочий ход
Выпуск
63 - 70
70 - 90
29 – 35
5 - 22
Относительное количество теплоты от всей
введенной с топливом и воспринимаемой
головкой блока в зависимости от нагрузки
меняется от 11 до 19%. Из общего количества
теплоты, переданной головке блока, от 10 до
37% отводится в стенки выпускного канала.
Это заметно уменьшает энергию
отработавших газов, возможную для
использования при газотурбинном наддуве.
Наиболее напряженными деталями в
тепловом отношении в четырехтактном
двигателе являются выпускные клапаны.
Продувка цилиндра воздухом в период
перекрытия клапанов, которая применяется,
например, при наддуве, - эффективный
способ охлаждения клапанов.
На рис. 11.4 показано поле температур t 
деталей исследованного дизеля в
зависимости от нагрузки, коэффициента 
при различных p к , скоростных режимах и
давлении наддува. Значения t  в различных
зонах поверхности одной и той же детали
разные. Это определяет сложный характер
степени тепловой напряженности днища
поршня и головки, что должно учитываться
при их конструировании для получения
необходимой равнопрочности и обеспечения
требуемого отвода теплоты в охлаждающую
среду. С увеличением нагрузки pi и
соответствующим при pк  const снижением 
, а также с повышением частоты вращения
увеличивается удельный поток и, как
следствие, растет t  во всех зонах.
Например, температура поверхности
огневого днища головки при n  1300об/мин, p к
=0,17 МПа и полной нагрузке ( pi = 1,56 МПа)
на периферии равна 230° С, а в зоне,
расположенной близко к центру, 380 °С. При
повышении p к зависимость t  f ()
меняется практически эквидистантно (см.
рис. 11.4).
Температура поверхности поршня
существенно различна в зонах, где
производились измерения. В этих зонах при
высоких нагрузках (и соответственно p к ) и
скоростных режимах t  = 320°, а в зонах
менее напряженных в тепловом отношении
при этих же нагрузках t  = 260°.
Рис. 11.4. Поле температур в различных зонах деталей дизеля в
зависимости от  , n, pi и p к :
а — днище поршня; б — головка блока цилиндра; в — гильзы цилиндра.
Цифры у кривых относятся к зонам, где производились измерения
На рис. 11.5 показано температурное
поле днища поршня дизеля ЯМЗ-238.
Поле температур по отношению к оси
цилиндра практически симметрично.
Исследования показали существенное
влияние на t  головки и поршня
изменения угла опережения начала
впрыска топлива. По мере увеличения впр
угла температура t  во всех исследованных зонах повышается. При
увеличении впр от 20 до 40° t  в
отдельных зонах головки возрастает
линейно примерно на 70°, а поршня — на
60°.
Контрольные вопросы
1. Из каких составляющих складывается
тепловой баланс двигателя?
2. Как изменяются составляющие теплового
баланса от нагрузки и частоты вращения?
3. Что такое тепловая напряженность
двигателя?
4. Чем достигаются оптимальные условия по
тепловому состоянию двигателя?
5. Каков характер изменения удельного
теплового потока от рабочего тела к днищу
головки блока?
6. Какие детали двигателя наиболее
напряжены в тепловом отношении?