Под тепловой напряженностью дизеля понимают связь
уровня температурных напряжений в стенках теплопередающих деталей
дизеля, пропорциональных перепаду температур, с уровнем температур на
поверхностях деталей со стороны подвода и отвода тепла [ 26, 73].
Теплонапряженность двигателя характеризуется максимальными температурами
на определенных поверхностях деталей ЦПГ: над канавкой первого
компрессионного кольца поршня и поверхности втулки цилиндра в указанном
районе при положении поршня в ВМТ; поверхности днища поршня со стороны
газов и с внутренней стороны при охлаждении маслом; поверхностях крышки
цилиндра и посадочного пояса выпускного клапана. Температура поршня над
канавкой первого компрессионного кольца и втулки цилиндра в этом районе
обусловливает состояние масляной пленки, подвижность и упругость
поршневых колец.
Интенсивное лакообразование цилиндрового масла начинается при
температуре 210 ... 230 °С. Для обеспечения подвижности поршневых колец
температура втулки должна быть на 40 ... 60 °С ниже температуры
лакообразования масла. Исходя из условий сохранения масляной пленки на
поверхности зеркала цилиндра и предотвращения окисления и полимеризации
цилиндрового масла температура поршня и втулки в указанном районе не
должна превышать 180 ... 190 °С.
В нижней части цилиндровой втулки во избежание повышенных изно-сов при
работе двигателя на сернистых топливах температура поверхности должна
быть выше точки росы серной кислоты и водяных паров. Для предотвращения
оплавления поршней максимальная температура охлаждаемого поршня со
стальной головкой не должна превышать 430... 500°С. При более высоких
температурах изменяется структура металла и снижаются его механические
свойства. Повышение температуры днища поршня происходит в основном при
зависании иглы форсунки и искажении формы факела распыла вследствие
закоксовывания сопел форсунки. В целях предотвращения лакообразований на
внутренних поверхностях охлаждения поршня температура стенок не должна
превышать 190... 200 °С. При повышении температуры ухудшается
теплопередача, перегревается поршень и возникают трещины в его стенках.
Крышка цилиндра является одной из сложных конструктивных деталей
двигателя. Наличие клапанов и форсунок усложняет задачу обеспечения ее
прочности. Для предотвращения температурных и механических напряжений
температура крышки не должна превышать 350 ... 370 °С. Максимальная
температура посадочного пояса выпускного клапана должна быть не более
500 °С. При температуре деталей свыше 550 °С сохраняются условия для
коррозии посадочного пояса в результате плавления и прилипания солей
ванадия и натрия, образующихся в золе после сгорания средневязких сортов
топлива. При этом нарушается плотная посадка клапана, что приводит к
образованию свищей и „выгоранию” металла тарелки клапана и посадочного
пояса в крышке цилиндра. Температура рабочих поверхностей деталей ЦПГ,
при которых обеспечивается их минимальный износ, приведены в табл. 4.6.
Наиболее точно теплонапряженность ЦПГ может быть
установлена на основе прямых измерений температур напряженных деталей:
втулки, поршня, крышки цилиндра. Однако установка термопар на все
двигатели и оснащение их считывающими приборами практически не
осуществимы. В практике эксплуатации судовых дизелей теплонапряженность
деталей ЦПГ оценивается ограничительными (заградительными)
характеристиками, обусловливающими зависимость температурного режима от
частоты вращения п и мощности двигателя.
В дизелях с наддувом для поддержания теплонапряженности на номинальном
уровне при снижении п требуется соответствующее уменьшение среднего
эффективного давления ре, пропорциональное повышению номинального
давления наддува. Это связано с тем, что элементы системы
газотурбонаддува согласуются лишь при номинальном скоростном режиме. С
уменьшением п производительность турбокомпрессора и давление наддува
падают, возникает необходимость в сокращении цикловой подачи топлива, с
тем чтобы коэффициент избытка воздуха остался неизменным. Работа дизеля
по обычным нагрузочно-скоростным характеристикам обеспечивается
конструкциями дизеля и винта. Так, режимы внешней характеристики
определяются постоянством положения топливной рейки (ТР), нагрузочная
характеристика устанавливается однорежимным регулятором числа оборотов,
а винтовая - параметрами винта.
Контролируемыми параметрами теплонапряженности являются: цикловая подача
топлива (по положению топливной рейки); среднее индикаторное
(эффективное) давление в цилиндре р\ (ре ); температура отработавших
газов ?о г; максимальное давление сгорания pz; часовой расход топлива В;
коэффициент избытка воздуха а; давление наддува р%. Одним из наиболее
доступных для контроля показателей теплонапряженности является
температура отработавших газов, которая соответствует изменению режима
работы двигателя. Однако в качестве параметра теплонапряженности она
используется лишь косвенно для сравнительной оценки различных режимов
дизеля, находящегося в данном техническом состоянии. Однозначная
зависимость между теплонапряженностью и температурой отработавших газов
нарушается при изменении технического состояния цилиндра или топливной
аппаратуры, регулировки газораспределения или топливоподачи, условий
охлаждения или воздухоснабжения.
Неудовлетворительное состояние сопловых отверстий форсунок является
одной из причин существенного возрастания теплонапряженности деталей ЦПГ
дизеля, работающего на заданном нагрузочно-скоростном режиме.
Техническое состояние форсунки влияет на теплонапряженность поршня и
втулки. Ниже приведены значения температур, измеренных на поверхностях
деталей ЦПГ при нормальной работе распылителя (I) и при закоксовывании
его отверстий (II).
При неизменной цикловой подаче топлива на температуру отработавших газов
влияет также качество впрыска: как правило, ?о г возрастает, а мощность
цилиндра уменьшается. Поэтому для использования температуры отработавших
газов в качестве косвенного показателя теплонапряженности необходимо
контролировать качество рабочего процесса по индикаторным диаграммам, а
при отсутствии индикаторного привода — по давлению р2.
Ряд заводов-изготовителей дизелей рекомендует контролировать
теплонапряженность деталей ЦПГ по давлению наддува Рк и положению рейки
топливных насосов. Контроль указанных величин в процессе эксплуатации не
вызывает затруднений, однако давление наддува Рк не может служить
основным показателем теплонапряженности, так как по-следняя независимо
от Рк определяется еще и температурой продувочного воздуха, техническим
состоянием цилиндра, нагрузочно-скоростным режимом работы дизеля и т. д.
Положение рейки топливного насоса — более объективный сравнительный
показатель теплонапряженности конкретного дизеля. Он непосредственно
определяет цикловую подачу топлива и используется в качестве параметра
заградительной характеристики при неизменном техническом состоянии
топливной аппаратуры и механизма привода и управления топливными
насосами. Однако этому показателю присущи те же недостатки, что и
показателю ?о г, т. е. его номинальное значение зависит от регулировки и
технического состояния дизеля, топливной аппаратуры и агрегатов наддува.
Более полно тепловое состояние деталей ЦПГ характеризуется коэффициентом
избытка воздуха при сгорании а в зависимости от tQ г, Рк и п. Контроль
предельных нагрузок дизелей должен осуществляться постоянно и быть
достаточно оперативным: определение резерва мощности по
теплонапряженности не должно превышать 5 мин. Коэффициент а определяется
косвенным путем по номограммам (ограничительным характеристикам),
построенным для каждого конкретного типа двигателей. При выборе
минимально допустимых значений коэффициента а на пониженных частотах
вращения дизеля следует исходить из его уровня на номинальном режиме
работы, т. е. а = ан. Выполнение этого условия обеспечивает высокие
показатели надежности работы дизеля и достижение предельной мощности (по
тепловой напряженности). Контроль ограничительной характеристики по
тепловой напряженности, соответствующей а = = const или а =а/ан =1,
позволяет исключить тепловую перегрузку,
поддерживая тепловую напряженность не выше, чем на номинальном режиме
работы дизеля.
Для определения и регистрации коэффициента избытка воздуха при сгорании
используется однозначная зависимость параметра тепловой напряженности qn
от температуры отработавших газов /о г. Построение номограмм
(ограничительных характеристик) основано на поддержании коэффициента
избытка воздуха а постоянным на всех режимах работы дизеля для
обеспечения стабильной тепловой напряженности деталей ЦПГ.