4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Влияние теплового режима двигателя на его работу

Тепловой режим двигателя

Температура газов в цилиндрах двигателя в момент воспламенения рабочей смеси достигает 2000—2200°С. Из общего количества выделяемого тепла только 25-30% превращается в полезную работу, 10-15% теряется на преодоление трения и привода механизмов, до 40% тепла уносится вместе с отработавшими газами, а остальное тепло должно быть отведено системой охлаждения. Чрезмерный отвод тепла вредно сказывается на работе двигателя – снижается мощность двигателя, увеличивается износ его деталей и увеличивается расход топлива. Не лучше влияет на работу двигателя недостаточный отвод тепла, что ведет к перегреву двигателя. С перегревом двигателя связано снижение мощности, увеличение износа деталей, расход топлива и появление преждевременной вспышки.

Таким образом, нормальная работа двигателя возможна только при условии обеспечения системой охлаждения наивыгоднейшего теплового режима, то есть такого режима, при котором температура охлаждающей жидкости колеблется в пределах 85-90°С (независимо от нагрузки и окружающей температуры).

Система охлаждения автомобильного двигателя может быть жидкостной или воздушной. На двигателях отечественных автомобилей (кроме «Запорожца») применяют замкнутую систему охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости. Замкнутой ее называют потому, что она непосредственно с атмосферой не сообщается. Этим достигается повышение температуры кипения воды до 120°С, что значительно снижает расход жидкости на испарение. Принудительной же считают ее потому, что циркуляция жидкости осуществляется водяным насосом центробежного типа под давлением. На рисунке 1 показана схема системы охлаждения современного двигателя. Водяной насос 5, приводимый в действие коленчатым валом через клиновидный ремень, засасывает воду (антифриз) из нижнего бачка радиатора 1 через шланг 4 в водяную рубашку 6. Вода охлаждает цилиндры, затем она через водораспределительную трубку 7 поступает в водяную рубашку камер сгорания, отводя от них излишнее тепло, и далее через патрубок термостата 10 и шланг 11 поступает в верхний бачок радиатора, откуда по множеству трубок протекает в нижний бачок, охлаждаясь потоком воздуха, создаваемого вентилятором 2. Такой путь воды называется «циркуляцией по большому кругу».

Рис.1. Схема системы охлаждения:
1 – радиатор, 2 – вентилятор, 3 – сливной кран, 4, 11 – шланги, 5 – водяной насос, 6 – рубашка охлаждения цилиндров, 7 – водораспределительная трубка, 8 – цилиндр, 9 – термостат, 10 – патрубок термостата.

В верхнем патрубке 10 установлен термостат 9, который перекрывает путь охлаждающей жидкости в радиатор, направляет ее обратно в водяную рубашку (ускоряя подогрев) до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости не достигнет 70°С. Эта циркуляция – «по малому кругу».

Радиатор (рис.2) служит для охлаждения воды. Он состоит из двух бачков 1, 5, соединенных между собой несколькими рядами тонких трубок (сердцевина) 4. В верхнем бачке находится наливное отверстие, которое закрывается пробкой 3. Пароотводная трубка 2, впаянная в верхний бачок 1, служит для выпуска пара из радиатора при избыточном давлении и впуска воздуха, когда в системе создается разряжение.

Рис.2. Радиатор:
1 – верхний бачок с патрубком, 2 – пароотводная трубка, 3 – пробка радиатора, 4 – сердцевина, 5 – нижний бачок.

Пробка радиатора (рис.3) создает герметичность, в системе охлаждения. Она снабжена двумя клапанами – выпускным (паровой) 2, открывающимся при достижении давления пара в радиаторе 1,3-1,5 кГ/см 2 и впускным (воздушный) 9, открывающимся при падении давления в радиаторе до 0,85-0,90 кГ/см 2 .

Рис.3. Пробка радиатора:
1 – пароотводная трубка радиатора, 2 – выпускной клапан, 3 – пружина выпускного клапана, 4 – корпус пробки, 5 – запорная пружина, 6 – наливная горловина радиатора, 7, 8 – прокладки, 9 – впускной клапан, 10 – пружина впускного клапана, 11 – седло впускного клапана.

Водяной насос (рис.4) центробежного типа, обеспечивает в системе принудительную циркуляцию воды. В корпусе насоса на валике установлена крыльчатка. Для предотвращения утечки воды между корпусом насоса и валиком устанавливается сальник. К валику насоса при помощи ступицы крепится вентилятор, создающий тягу воздуха через радиатор. Число лопастей вентилятора зависит от размеров и емкости радиатора. Иногда вентилятор изолирован кожухом (диффузором), прикрепленным к радиатору. Такое устройство обеспечивает направленный поток воздуха через радиатор.

Рис.4. Водяной насос двигателя «Москвич-412»:
1 – корпус, 2 – корпус сальника, 3 – манжета сальника, 4 – корпус шайбы, 5 – крыльчатка, 6 – подшипник, 7 – гайка, 8 – стопорный винт, 9 – дистанционная втулка, 10 – валик насоса

Термостат – автоматический регулятор, предназначенный для быстрого подогрева холодного двигателя и дальнейшего поддержания температуры воды в нужных пределах (85-90°С). Термостаты бывают жидкостные и с твердым наполнителем. На современных двигателях устанавливаются в основном термостаты с твердым наполнителем. Они более надежны в работе, проще и дешевле при изготовлении. Их работа основана на эффекте расширения активной массы при достижении определенной температуры (70°С). При этом клапан открывается, пропуская через радиатор воду. При охлаждении воды активная масса затвердевает и детали клапана термостата возвращаются в исходное положение, прикрывая доступ воды в радиатор.

Перед радиатором крепятся жалюзи (набор отдельных пластин, шарнирно укрепленных на прямоугольном каркасе). Изменяя величину воздушного потока через радиатор, жалюзями можно регулировать тепловой режим двигателя. Управление жалюзями осуществляется рукояткой, установленной в кронштейне на панели.

В системе охлаждения двигателя автомобиля «Жигули» жалюзи отсутствуют. Вместо них применяется специальный съемный утеплитель.

В систему охлаждения двигателя современных автомобилей включен расширительный бачок, предназначенный для компенсации изменения объема охлаждающей жидкости в ней при работе двигателя.

Расширительный бачок установлен в моторном отсеке. Изготовляется он из полупрозрачной пластмассы и имеет контрольную отметку с надписью «мин». В нижней части бачка выполнен штуцер, предназначенный для соединения бачка при помощи гибкой трубки с отводящим патрубком наливной горловины радиатора.

Для конденсации пара, поступающего из радиатора, в бачке установлена парораспределительная трубка с отверстиями. Наливная горловина бачка закрывается пробкой с отверстиями, через которые бачок сообщается с атмосферой.

При воздушном охлаждении двигатель охлаждается воздушным потоком, непосредственно омывающим наружную поверхность цилиндров и их головок. Для лучшего охлаждения двигателя его цилиндры и головки снабжаются большим числом ребер, которые расположены по направлению воздушного потока.

Двигатели с воздушным охлаждением обладают рядом преимуществ. Они более компактны, имеют меньшую массу на единицу мощности, просты и удобны в эксплуатации, особенно
в зимнее время года и в безводных местностях.
Двигатели с воздушным охлаждением обладают рядом преимуществ. Они более компактны, имеют меньшую массу на единицу мощности, просты и удобны в эксплуатации, особенно
в зимнее время года и в безводных местностях.

Виды систем охлаждения и принцип их работы

Система охлаждения служит для поддержания оптимального теплового режима двигателя путем принудительного отвода теплоты от нагретых деталей и передачи этой теплоты окружающей среде.
В современных двигателях в полезную работу превращается лишь 25. 42% энергии, выделяющейся в цилиндрах двигателя, остальная энергия в виде теплоты уносится отработавшими газами, охлаждающей жидкостью или воздухом, рассеивается в окружающую среду внешними поверхностями двигателя.
Теплота, используемая на выполнение полезной работы, а также ее потери составляют тепловой баланс двигателя.
Так как сгорание в двигателе происходит при высоких температурах, достигающих 2 300 °С, то без принудительного охлаждения такие детали, как цилиндр, поршень и направляющие втулки клапанов, нагревались бы до температуры, значительно превышающей температуру воспламенения (вспышки) масла. Поэтому для поддержания нормального теплового режима работы узлов и механизмов необходимо принудительно отводить теплоту от взаимодействующих деталей, не допуская их перегрева. Количество теплоты, которое должна отводить система охлаждения, зависит от мощности ирежимов работы двигателя.
При перегреве двигателя увеличиваются силы трения и изнашивание деталей, уменьшаются тепловые зазоры, происходит нагарообразование, ухудшается наполнение цилиндров карбюраторных двигателей горючей смесью, а дизелей — очищенным воздухом. Однако при чрезмерном отводе теплоты возникает переохлаждение двигателя, которое вызывает изменение вязкостных свойств масла, что приводит также к увеличению изнашивания деталей и механических потерь на трение, снижению мощности и экономичности двигателя. Поэтому независимо от нагрузки двигателя следует поддерживать его тепловой режим в пределах 85. 95°С. На современных двигателях применяют жидкостное или воздушное охлаждение. При воздушном охлаждении через оребренные поверхности блока и головки цилиндров излишняя теплота отводится потоком воздуха, создаваемым многолопастным вентилятором с устройством, регулирующим интенсивность охлаждения.
В воздушной системе охлаждения отсутствует радиатор, жидкостный насос, каналы и трубопроводы для охлаждающей жидкости, поэтому к преимуществам такой системы относятся простота конструкции, уменьшение массы, удобство обслуживания и, кроме того, исключается опасность размораживания двигателя зимой. Размораживание, т.е. замерзание воды в системе водяного охлаждения, приводит к образованию трещин в блоке цилиндров.
Несмотря на то что система воздушного охлаждения хотя и обеспечивает условия для необходимого отвода теплоты от сильно нагретых деталей, но при этом требуется сравнительно большая мощность двигателя для приведения в действие обдувочного вентилятора и затрудняется пуск двигателя при низкой температуре из-за отсутствия возможности прогрева его горячей водой.
Поэтому наибольшее распространение получили жидкостные системы с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости. Такие системы более эффективны в работе и вместе с пусковыми устройствами обеспечивают легкий пуск двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха и создают меньший шум при его работе.
В качестве охлаждающих жидкостей применяется вода или ее этиленгликолевые смеси — антифризы. Широкое распространение получили смеси, замерзающие при низкой температуре: Тосол А-40М, «Лена» ОЖ-40 и Тосол А-65. Антифризы получают разбавлением технического этиленгликоля водой, например Тосол А-40М представляет собой 50%-ную смесь воды с этиленгликолем, которая при температуре — 40 °С превращается не в лед, а в густую массу, не вызывающую повреждения блока цилиндров или радиатора.
Принципиальные схемы жидкостной системы охлаждения двигателей показаны на рис. 7.1. В зависимости от теплового состояния двигателя циркуляция жидкости в системе происходит по большому или малому кругу (рис. 7.1, а) и обеспечивается насосом 8, который приводится в действие от шкива 18, соединенного через клиноременную передачу со шкивом коленчатого вала. При нормальном тепловом режиме работы двигателя охлаждающая жидкость циркулирует по большому кругу. При этом клапан термостата 9 открыт и жидкость через патрубок 11 подается к верхнему бачку 13 радиатора 16, откуда по трубкам сердцевины радиатора поступает в нижний его бачок 20 (направление движения жидкости показано стрелками).
Жидкость, проходящая через радиатор, охлаждается воздухом, подаваемым под напором вентилятором 19, и потоком воздуха, возникающим при движении автомобиля и регулируемым при помощи жалюзи (пластин-створок) 17. Охлажденная жидкость через

Читать еще:  Что такое момент инерции двигателя

Рис. Схемы жидкостных систем охлаждения двигателей: а – ЗМЗ-4021; б – ЗИЛ-5081

нижний патрубок 22 радиатора подается снова к насосу 8 и далее в рубашку охлаждения 7 блока и головки цилиндров.
При пуске и работе непрогретого двигателя, когда температура охлаждающей жидкости ниже 72°С, ее циркуляция происходит по малому кругу. В этом случае жидкость не поступает в радиатор, так как клапан термостата 9 закрыт, а проходит по рубашке 7 блока и головки цилиндра и через перепускной канал 10, омывая термостат 9, снова поступает к насосу, обеспечивая тем самым быстрый прогрев холодного двигателя. По мере повышения температуры охлаждающей жидкости клапан термостата открывается, и она начинает циркулировать по большому кругу.
В V-образных двигателях ЗИЛ-508, -5081, ЗМЗ-511 и других (рис. 7.1, б) жидкость через приливы 23 корпуса насоса подается в раструбы рубашки охлаждения левого и правого рядов цилиндров и далее через полость 24 впускного газопровода и термостат 9 поступает в радиатор 16, а затем к насосу. Одновременно из полости трубопровода по гибкому шлангу 26 жидкость также поступает в рубашку охлаждения компрессора, а по шлангу 25 — возвращается в насос.
Для нормальной работы двигателя температура охлаждающей жидкости при входе в водяную рубашку должна быть в пределах 75. 80°С, а при выходе из нее — 85. 95°С.
Для повышения температуры кипения воды в современных двигателях применяют закрытую систему охлаждения, которая может сообщаться с атмосферой при помощи пароотводной трубки 15 только через паровоздушный клапан, расположенный в пробке 14 радиатора или в пробке 27 расширительного бачка 28, имеющего сливной кран 21.
Температуру охлаждающей жидкости в системах охлаждения контролируют с помощью дистанционных магнитоэлектрических термометров, состоящих из указателей 5 (см. рис. 7.1, а) и встроенных датчиков 6. О перегреве жидкости в системе охлаждения сигнализирует контрольная лампочка, установленная на щитке приборов (у автомобилей ЗИЛ-431410, ГАЗ-3307 и -3110 «Волга») и соединенная с термодатчиком 12, ввернутым в верхний бачок радиатора.
Из-за расположения насоса в передней части двигателя теплоотдача от задних цилиндров и их камер сгорания и других деталей ухудшается, так как к ним поступает уже подогретая передними цилиндрами охлаждающая жидкость. Поэтому в отдельных конструкциях двигателей предусматривается циркуляция жидкости через распределительную трубу 4 или продольный канал с отверстиями, направленными к наиболее нагретым деталям (выпускные клапаны, стенки камеры сгорания, свечи зажигания и т.д.). Кроме основного назначения, систему охлаждения двигателя используют для отопления пассажирского помещения кузовов легковых автомобилей и автобусов, а также кабин грузовых автомобилей. Для этой цели в отопительной системе имеются специально встроенные в салон кузова или кабины радиаторы 3, к которым через кран 1 и шланги 2 нагретая жидкость подается из системы охлаждения двигателя.

Надежность автомобиля

Влияние теплового состояния двигателя на износ деталей ЦПГ

Одним из важнейших показателей теплового состояния двигателя является тепловая напряжённость, определяемая температурой наиболее «горячих» поверхностей трения, температурными перепадами наиболее нагретых частей двигателя – камер сгорания, днищ поршней, верхней зоны цилиндров, тарелок выпускных клапанов, перемычек в блоке и головках блока. Стенки цилиндров в зоне перемещения поршневых колец имеют средние температуры 100…130°C и наибольшие предельные – 170…180°C, а для двигателей с воздушным охлаждением – на 30…40°C выше; днища поршней из алюминиевых сплавов соответственно нагреваются до 240…260°C; центральная зона тарелок впускных клапанов имеет температуру соответственно 180…275 и 300…400°C, а выпускных – 600…700 и 800…850°C. Перечисленные диапазоны температур для различных деталей характерны для двигателей при нормальных условиях работы, при использовании надлежащих сортов топлив и масел, при соответствующих техническим условиям регулировках и т.д. В условиях же реальной эксплуатации зачастую имеют место значительные отклонения температур от указанных выше пределов.

Читать еще:  Что значит инжекторный тип двигателя

От совершенства рабочего процесса, особенно в дизельных двигателях, в большой степени зависит образование отложений нагара и лака на деталях ЦПГ: в частности, закоксовывание поршневых колец с потерей ими подвижности, что обычно приводит к задирам сопряжённых с ними гильз цилиндров. Кроме того, по мере эксплуатации двигателей за счёт нагарообразования на днищах поршней и стенках камеры сгорания, возможны некоторое увеличение степени сжатия и ухудшение отвода тепла, а следовательно, и вероятности возникновения детонационных явлений, имеющих место при сгорании топлива не только в карбюраторных двигателях, но и в дизельных (главным образом, при работе их на лёгких сортах топлива и больших углах опережения впрыскивания топлива), во время которых особенно резко увеличиваются механические и термические нагрузки на детали, и повышается их изнашивание. При работе двигателя с детонацией значительно возрастает и температура верхней части гильз цилиндров, достигая 190…200°C и выше при полной нагрузке.

Оптимальные значения температур работы двигателя

Известно, что оптимальные значения температур охлаждающей жидкости и картерного масла для большинства автомобильных двигателей составляют 80…90°C. При пониженной температуре стенок цилиндров возникает коррозионно-механическое изнашивание, а также смывание масляной плёнки, образующейся топливной эмульсией. Согласно, при температуре воды в системе охлаждения, равной 30°C, износ двигателя в 6 раз больше, чем при температуре 80°C. На значения температур большое влияние оказывают режимы работы двигателя.

Р.В.Кугель показал, что износ цилиндров двигателей ЗИЛ при холодных стенках был в среднем в 8 раз больше, чем при испытаниях двигателей в горячем состоянии. Он отмечает, что при температуре стенок цилиндров менее 60°C имеет место коррозионный износ цилиндров, который незначителен при их температуре более 80°C. В этих условиях решающее влияние на изнашивание деталей ЦПГ оказывают прокачиваемость масла, своевременность его поступления к поверхностям трения и создание прочной масляной плёнки.

Коррозия стенок гильз цилиндров

Коррозия стенок гильз цилиндров возникает не только в период пуска и прогрева двигателя, но и при его охлаждении. Время охлаждения до температуры окружающей среды прогретого двигателя около 2…2,5ч в летних и 1ч в зимних условиях. Это время характеризуется наибольшей интенсивностью образования коррозии на стенках гильзы цилиндра. При последующих пусках плёнка коррозии разрушается, а продукты коррозии участвуют в трении как абразив.

Авторы расценивают износы в процессе холодного пуска, прогрева и остановок двигателя как важнейшую составляющую всех эксплуатационных износов, приравнивая, например, износ во время пуска при температуре -18°C к износу за 180-210 км пробега автомобиля.

Изнашивание само по себе также приводит к изменению теплового и температурного состояния деталей ЦПГ. Так, установлено, что температура цилиндров в верхней части, где имеют место максимальные износы гильз, при достижении ДВС предельного состояния увеличивается на 25-30°C со стороны рабочей поверхности и на 9-12°C со стороны рубашки охлаждения (напротив зоны максимальных износов). Соответственно с обеих сторон возрастает температура в нижней части цилиндра – на 10-15 и 4-5°C. В целом температура гильз со стороны охлаждаемой поверхности изменяется меньше (в пределах 8-15°C), чем со стороны зеркала цилиндра (на 20-40°C), что связано с перераспределением тепла по телу гильзы и более интенсивным его отводом в систему охлаждения с нерабочей поверхности. Причём разница в тепловых состояниях цилиндра увеличивается с ростом температуры гильзы. Такое явление объясняется тем, что увеличение частоты вращения коленчатого вала и нагрузки приводит к росту как абсолютных значений температур, так и теплоперепадов, а перепады температуры, в свою очередь, вызывают тепловые деформации гильз по образующей, что иногда имеет более опасные последствия, чем чрезмерно высокие или низкие температуры. Это обусловливается, прежде всего, ростом средних температур рабочего цикла и сокращением времени на теплоотвод от нагретых поверхностей в охлаждающую среду. Исследования показали, что перепады температур поверхностей гильз цилиндров в зависимости от режима работы двигателя сохраняются при любой степени его изношенности.

Влияние теплового режима двигателя на его работу

Долговечность двигателей внутреннего сгорания определяется моторесурсом, который устанавливают по сроку службы наиболее ответственных деталей и узлов, подвергающихся в условиях эксплуатации процессу нормального механического истирания. Износостойкость деталей дизелей зависит: от конструктивных факторов – качества материала, смазки и топлива, удельного давления в зоне трения, скорости относительного перемещения: деталей; от эксплуатационных факторов – температурного и скоростного режимов работы дизеля, частоты и качества фильтрации масла, воздуха и топлива.

Линейная величина износа цилиндровых втулок и поршневых колец D принимается пропорциональной среднему условному давлению трения Ртр и теплонапряжённости q соответствующих деталей

D= Kтр Ртр qht, (1)

где Kтр – коэффициент пропорциональности износа; h – скорость вращения вала дизеля, об./мин; t – время работы.

Предложение о линейной зависимости трущихся деталей дизеля от теплового потока справедливо лишь для повышенного теплового состояния.

Заменим тепловой поток q1 , входящий в зависимость (1) выражением

где tст, tв – температура охлаждающей жидкости и внутренней поверхности стенки цилиндра; °C; в – коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей воде, ккал/м2.

Тогда будем иметь линейную зависимость износа трущихся деталей от их температурного состояния, которая характерна лишь для нерабочей зоны температур стенки цилиндра. Hа рис. 1 приведена опытная кривая износа гильзы от температуры охлаждающей жидкости.

Рис. 1. Зависимость износа гильзы цилиндра от температуры охлаждающей жидкости

Испытаниями установлено, что приращение температуры внутренней поверхности стенки цилиндра двигателя находится в линейной зависимости от приращения температуры охлаждающей жидкости. Поэтому приведенную кривую износа так же можно представить как функцию температуры трущихся деталей. Из графика видно, что она аналогична вязкостно-температурной кривой смазочных масел.

Смазочное масло, покрывающее зеркало цилиндра приобретает температуру стенки. Температура коренных и шатунных шеек коленчатого вала зависит от температуры смазочного масла. Отсюда очевидно влияние на износ коленчатого вала и цилиндров двигателя теплового режима его работы, определяемого температурой охлаждающей жидкости и масла.

C повышением температуры охлаждающей жидкости и, следовательно, смазочного слоя, на зеркале цилиндра уменьшается вязкость масла. Это приводит к снижению силы трения и повышению механического к.п.д. Одновременно сокращается конденсация паров серной кислоты на стенках цилиндра и износ последних.

Однако уменьшение износа стенок цилиндра при повышении температуры жидкости ограничивается возможностью нарушения при высоких температурах стенок (tст- 160–80°C) целостности масляной пленки на зеркале цилиндра, сильного окисления масла и уменьшения радиального зазора между поршнем и зеркалом цилиндра.

Bследствие этого повышение температуры охлаждающей жидкости для каждого двигателя и применяемых сортов масел имеет свой предел, который колеблется у существующих конструкций дизелей в интервале 110–120°C.

B реальных условиях работы подшипников скольжения и особенно поршней дизеля наблюдается режим полужидкостного трения.

Масляный слой нарушается изменением давления и направления движения. При разрыве масляной пленки происходит износ сопряженной трущейся пары. Увеличение износа трущихся деталей сопровождается пропорциональным ростом работы сил трения. Учитывая это, можно записать:

где v – удельная работа сил трения.

При этом полагается, что трущиеся детали двигателя подвергаются нормальному процессу абразивного износа, а изменение геометрических форм трущихся пар не влияет на интенсификацию износа.

Читать еще:  Что такое на двигателе crs

Изложенная концепция полностью согласуется с распространенным энергетическим критерием износа, представляющим отношение объема продуктов истирания к работе сил трения, а также с законом изнашивания.

где Ктр = f(l) – уравнение эпюры удельных давлений; Sтр – путь трения.

Количественной мерой износа трущихся деталей служит вес продукта абразивного износа или линейная величина механического истирания деталей. Kосвенной мерой величины износа в единицу времени d может служить удельная работа сил трения в двигателе:

, (4)

где mц – количество цилиндров; Fп – площадь поршня.

При предельно допустимом износе в эксплуатации в шейках коленчатого вала и гильзах цилиндров моторесурс дизеля составит:

(5)

Заменяя (5) известное выражение

(6)

, (7)

где i – коэффициент тактности, i = 1,2; Cm – средняя скорость поршня, м/с; Ртр – среднее условное давление трения.

Переменный сомножитель из удельных параметров

. (8)

Можно принять в качестве комплексного критерия долговечности двигателей при сравнительной оценке их на износ.

Рис. 2. Потери механической энергии на трение в зависимости от скорости вращения вала дизеля при различных температурах масла

Мощность механических потерь на трение можно представить в виде:

(9)

где Мс – момент сопротивления двигателя, н•м; v – угловая скорость вращения вала дизеля, рад/с.

Момент сопротивления прокручиванию вала двигателя приближенно выражается известной эмпирической зависимостью:

, (10)

где h – параметр абсолютной вязкости масла, н•с/м2; Кс – постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей двигателя. Тогда:

. (11)

Получены зависимости потерь механической энергии на трение в зависимости от температуры дизельного масла и скорости вращения вала дизеля Д 50 М (рис. 2).

Подставив выражение (11) в (5), получим ещё одну функцию моторесурса двигателя:

(12)

В отличие от функции (7), представляющей зависимость моторесурса двигателя от конструктивных параметров, эта формула отражает зависимость долговечности дизеля от режимов эксплуатации.

Для определения износостойкости важнейших трудящихся деталей дизеля наложенным энергетическим методом в формуле (3) заменим выражение удельной работы сил трения:

где m – коэффициент трения скольжения; r – нормальное удельное давление; n – относительная скорость скольжения.

. (14)

Произведение Рn принято считать мерой износа трущихся деталей. Для обеспечения их долговечности оно не должно превосходить норм, выработанных практикой.

При определении моторесурса двигателя по ответственным деталям и узлам, ограничивающим срок его службы и имеющим правомерный износ, представляет интерес лишь наибольшая величина их местных износов. Максимальный местный износ гильзы цилиндра находится в зоне камеры сгорания от трения первых поршневых колец, а у коленчатого вала – во внутренней образующей шейки (между щеками).

Условия работы сил трения в этих зонах и должны приниматься при практических расчетах. В соответствии с этим наиболее точное значение срока службы двигателя может быть получено по исходному выражению (14) с принятием местных значений коэффициента трения, скорости скольжения и нормальных давлений, создаваемых давлением рабочих газов на поршень и силами инерции движущего механизма.

Удельную силу трения mР в применении к трущимся деталям двигателя внутреннего сгорания выразим через постоянное по углу поворота кривошипа среднее за цикл давление трения

,

где Fп – площадь поршня; Fтрi – площадь рассматриваемой поверхности в дизеле дг – доля среднего давления трения, приходящаяся на рассматриваемую поверхность трения.

Работа сил трения распределяется в дизеле на трение: в цилиндрах (цилиндрических втулках bц= 0,55–0,65), в шейках коленчатого вала (в = 0,35 + 0,45) и в распределительном механизме к насосах всех систем (bпр =0,03 + 0,05).

Рис. 3. Кривые долговечности дизеля в зависимости от скорости вращения вала (а) и абсолютной вязкости дизельного масла (б)

Площадь проекции поверхности коренной шейки коленчатого вала

а окружная скорость ее скольжения

,

где dв и lв – диаметр и длина шейки.

Пренебрегая трением поршня о стенки цилиндра, площадь трения определим по поверхности соприкосновения колец с гильзой:

где hk – рабочая ширина поршневого кольца; mk – количество колец на поршне.

С учетом приведенных зависимостей получим следующее выражение моторесурса двигателя по износу коренных шеек коленчатого вала

(15)

и цилиндровых втулок

. (16)

Из формул (11) и (12) видно, что работа сил трения, а следовательно, и моторесурс двигателя внутреннего сгорания определяются в эксплуатации скоростным и температурным режимом его работы. На рис. 3а,б построены в соответствии с формулой (12) кривые долговечности дизеля в зависимости от скорости вращения вала и абсолютной вязкости дизельного масла. Кривые приведены для рабочего диапазона изменения n и .

Из полученных выражений видно, что моторесурс двигателя при переменных режимах работы не зависит от нагрузки. Входящая в отдельные выражения величина среднего давления трения не зависит от нагрузки и определяется тема же параметрами, что и момент сопротивления Ртр = f(n, h). Отсюда, режимы холостого и груженого хода при одинаковых h и h оказывают на долговечность двигателя примерно одинаковое влияние.

Таким образом, моторесурс дизеля не зависит от следующих основных факторов: степени форсирования, диаметра цилиндра, числа оборотов коленчатого вала, жесткости конструкции и заложенного в ней уровня напряжений, а также удельных давлений между трущимися поверхностями, что косвенно может быть оценено удельным весом двигателя. Значительное влияние на моторесурс оказывает применяемые сорта топлива и масла, режимы работы и пр.

Установим теперь зависимость моторесурса дизеля с помощью теории множественной корреляции от параметров , где Д – диаметр цилиндра (см); n – число оборотов коленчатого вала (об./мин), – показатель степени форсирования; gдиз – удельный вес дизеля (кг/э.л.с.). Зависимость моторесурса дизеля от каждого из аргументов Д, n, , Ддиз в начале устанавливалась методом парной корреляции, а затем было выведено уравнение множественной корреляции, учитывающее совместное влияние перечисленных выше параметров на долговечность дизеля.

В линейной корреляционной связи моторесурса и диаметра цилиндра показателем тесноты связи этих двух величин является коэффициент корреляции. вычисленный по формуле

, (17)

где rМД – коэффициент корреляции; m – количество исходных величин в статистической выборке.

При изучении корреляционной зависимости моторесурса дизеля от четырех факторов ограничимся наиболее простым и важным для практических расчетов случаем прямолинейной корреляции, описанной в общем виде уравнением:

. (18)

Для удобства расчета выразим все переменные и зависимости между ними в стандартизированном масштабе и, проведя ряд математических преобразований, получим систему нормальных уравнений:

;

;

;

.

где rмддиз., rмп – коэффициенты корреляции; β2, β3, b4, b5 – стандартизированные коэффициенты уравнения множественной регрессии; К – отношение .

Определив коэффициенты корреляции rдп, rдк, rдgдиз, rпк, rмgдиз, rкgдиз и используя ранее полученные коэффициенты парной корреляции, найдем численные значения стандартизированных коэффициентов. Подставив значения этих коэффициентов в стандартизированное уравнение

(19)

получим уравнение множественной корреляции, характеризующее зависимость моторесурса дизеля от Д, n, , gдиз

.(20)

Выводы

1. Полученную для расчета моторесурса формулу (20) можно применять для определения долговечности дизелей.

2. Указанная формула (20) справедлива для номинального режима работы дизеля. Зная среднее значение Р, Ре, g, Д при эксплуатации в определенных климатических зонах и при конкретных режимах работы дизеля, можно ориентировочно оценить влияние режимов эксплуатации на ресурс двигателя.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector