Судовые двигатели

Температура внутренней поверхности цилиндра

Процесс передачи тепла от газов к охлаждающей жидкости в цилиндре двигателя разбивается на три этапа: теплоотдача от газов к стенке цилиндра; теплопередача через стенки цилиндра и теплоотдача от наружной поверхно­сти стенок цилиндра к охлаждающей среде. Теплоотдача от газов к стенке цилиндра про­исходит главным образом путем соприкосно­вения. Радиационная составляющая теплооб­мена принимается равной около 5% . Однако некоторые исследования последних лет пока­зывают, что лучистый теплообмен в цилиндре дизеля достигает 15% от всего передаваемого тепла. При установившемся тепловом потоке, и если принять стенку цилиндра плоской, сог­ласно закону Ньютона, количество теплоты, переданное от газов к 1 м2 поверхности стен­ки в течение часа, будет равно

где ?г — коэффициент теплоотдачи от газов к стенке путем соприкоснове­ния в ккал1м2 град·ч;

ТГ — температура газов в цилиндре;

Т1 — температура внутренней поверхности стенки цилиндра (рис. 106).

Кривая изменения температуры цилиндра двигателя

Количество теплоты, передаваемое лучеиспусканием от газов к стенке, согласно закону Стефана-Больцмана, будет равно

Здесь Тп — температура во фронте пламени, которая, по опытным данным, выше температуры газов примерно на 25% .

Суммарное количество теплоты, передаваемое от газов к стенке,

Обычно, ввиду малого значения, величиной qл пренебрегают, а потому


Количество теплоты, передаваемое через стенку цилиндра, согласно закону Фубье,

исключим температуру наружной поверхности стенки цилиндра Т2, опре­делим тепловую нагрузку цилиндра в зависимости от температуры внутрен­ней поверхности стенки цилиндра Т1 и температуры охлаждающей воды Тв:

Последнее уравнение показывает, что чем больше тепловая нагрузка цилиндра, чем выше температура охлаждающей воды Tв, и чем больше тол­щина стенки цилиндра s', тем выше будет температура внутренней поверх­ности стенки цилиндра.

Температурный перепад по толщине стенки цилиндра равен

Возникающие тепловые напряжения в стенках цилиндра пропорциональны температурному перепаду и их толщине.

Отсюда следует, что с увеличением тепловой нагрузки и толщины сте­нок цилиндра тепловые напряжения в стенках его возрастают.

Подставляя в формулу (173) значение допустимой температуры внутрен­ней поверхности стенок цилиндра t1°С, получим значение максимально до­пустимой тепловой нагрузки цилиндра (при данных значениях tв, ?в, s' и ?0):

Обозначим термическое сопротивление теплопередачи от внутренней по­верхности стенок цилиндра к охлаждающей воде через

тогда уравнение тепловой нагрузки можно написать так:

Отсюда находится мгновенное значение температуры внутренней поверх­ности стенки цилиндра

Вследствие пульсирующего теплового потока в цилиндре двигателя температура внутренней поверхности стенок его колеблется. Опытные дан­ные показывают, что эти колебания незначительны и ими можно пренебречь. Температура значительно изменяется вдоль поверхности цилиндра и порш­ня. На рис. 107 показаны типичные температурные кривые поршня без жид­костного охлаждения, а на рис. 108 — типичная кривая изменения темпера­туры внутренней поверхности стенок цилиндра.

Кривые изменения темпераутры поршня

Кривая изменения температуры внутренней поверхности стенок цилиндра

На рисунках также показаны значения температур поршня из алюминиевого сплава и втулки ци­линдра на глубине 0,38 мм быстроходного двигателя п = 2 000 об/мин. (D = 121 мм, S = 140 мм) при температуре охлаждающей воды 70° С и скорости ее потока в зарубашечном пространстве 0,152 м/сек. Рассмотрение температурных кривых показывает, что средняя температура направляющей .части поршня мало отличается от температуры внутренней поверхности стенки цилиндра, а следовательно, теплопередача от поршня через направ­ляющую часть его является незначительной. Наибольшая разница темпера­тур имеет место между боковой поверхностью головки поршня (в районе верхних двух колец) и поверхностью втулки цилиндра, а отсюда можно сделать вывод, что наибольшее количество теплоты отводится от поршня че­рез верхние поршневые кольца.

Как следует из формулы (161), тепловая нагрузка цилиндра возрастает пропорционально увеличению его диаметра:

В связи с этим конструкция головки поршня (особенно при больших диаметрах цилиндров) должна обеспечить наиболее равномерный отвод тепла и тем самым не допускать большого перепада температур в донышке поршня.

Увеличение тепловой нагрузки донышка поршня при наддуве мощных дизелей послужило причиной замены масляного охлаждения головки порш­ня водяным. Масляное охлаждение, вследствие малой теплоемкости масла, не всегда достигает требуемого снижения температуры поршня и поршневых колец.

Распределение температур поршня с масляным охлаждением и втулки цилиндра опытного двухтактного дизеля фирмы "Зульцер"

На рис. 109 показано распределение температур в поршне с масляным охлаждением и верхней части рабочей втулки опытного цилиндра двух­тактного дизеля фирмы «Зульцер» с диаметром цилиндра 760 мм и ре = 7 кГ/см2 (цилиндровая мощность 1500 л. с.). Донышко поршня имеет одинаковую толщину, оно плоское с уклоном по периферии. Верхняя часть втулки цилиндра защищена от непосредственного воздействия пламени вставным кольцом, изготовленным из жаропрочной стали и, благодаря нали­чию ребер, имеет интенсивное охлаждение.

Как видно из рис. 109, температурный перепад для чугунной втулки ци­линдра допустим, но все же довольно высок. Особенно высоким является перепад температур в донышке поршня.

Распределение температур поршня с водяным охлаждением

На рис. 110 показано распределение температур в поршне и во втулке цилиндра этого же дизеля (РД-76) с водяным охлаждением при ре=10 кГ/см2. Наличие ребер внутри головки поршня позволило уменьшить толщину днища поршня. Уменьшение толщины днища поршня и примене­ние водяного охлаждения позволили снизить температурный перепад в пор­шне, несмотря на повышенное значение среднего эффективного давления (ре = 10 кГ(см2).

Среднее значение температуры внутренней поверхности стенки цилиндра (T1)ср в соответствии с формулой (177) будет равно

где значения (?гТг)ср и (?г)ср определяются путем планиметрирования площади под кривыми ?г = f (?) и ?гТг = f(?) (? — угол поворота вала двигателя).

Мгновенное значение температуры газов Тг определяется из урав­нения состояния

где значения р и V в зависимости от угла ? определяются по индикаторной диаграмме двигателя;

G — вес свежего заряда цилиндра с учетом остаточных газов.

Средняя результирующая температура газов по теплопередаче опреде­ляется из условия равенства передачи тепла стенке при пульсирующем по­токе тепла за один цикл и в предположении стационарного потока:

Кривые теплопередачи дизеля 6ЧНР

Коэффициент теплопередачи от наружной поверхности втулки рабочего цилиндра к охлаждающей воде

Средняя температура стенки втулки цилиндра

Количество теплоты, выделяющееся в цилиндре в течение одного часа,

Доля тепла от выделяемого в цилиндре и передаваемая охлаждаю­щей воде,