Температура поршней при работе на скоростных и нагрузочных режимах, Грузовики и спецтехника

Грузовики и спецтехника: ремонт, эксплуатация, конструкция, ТО

Температура поршней при работе на скоростных и нагрузочных режимах

На дизелях ЯМЗ-238 без наддува и с наддувом (модификация ЯМЗ-238Н) были определены температуры поршней, гильз и головок блока при работе на скоростных и нагрузочных режимах. Температура этих деталей в функции нагрузки растет по линейному закону, а прямая зависимость между указанной температурой от частоты вращения коленчатого вала не является линейной.

Из деталей, формирующих рабочий объем цилиндра, минимальную температуру имеет гильза, а максимальную — головка блока. В табл. 10 приведены максимальные температуры Деталей дизелей ЯМЗ разных модификаций при работе на номинальном режиме. Повышение среднего эффективного давления до 9 кгс см2 в результате применения газотурбинного наддува на дизелях ЯМЗ-238 приводит к росту температуры гильз в данной зоне до 144° С.

С увеличением нагрузки дизеля ЯМЗ-238 от 140 До 240 л. с. при 2100 об мин температура в точке гильзы повышается от 120 до 136° С, в точке головки блока от 214 до 285° С и в точке поршни от 190 до 210° С. С увеличением нагрузки дизеля ЯМЗ-238НБ от ПО до 210 л. с. при 1700 об мни температура в точке гильзы возрастает от 114 до 130 С, в точке головки блока от 195 до 310° С и в точке поршня от 163 до 195° С.

Абсолютные значения перепадов температур между разными точками рассматриваемых детален и степень изменения этих перепадов по мере повышения нагрузки различны для каждой детали. Так, при работе дизеля ЯМЗ-238 на номинальном режиме перепад температур по поверхности днища головки блока в радиальном направлении равен 42° С, по боковой поверхности поршня составляет 95о С, а по высоте гильзы цилиндров равен 39 С. При увеличении нагрузки от 140 до 240 л. с. эти перепады возрастают с 20 до 42″ С у головки цилиндров, с 90 до95 С у поршня и с 30 до 39° С у гильзы цилиндров. При работе дизеля Я МЗ-238НБ на номинальном режиме перепад температур по поверхности днища головки блока в радиальном направлении равен 55° С, по боковой поверхности днища поршня составляет 93° С, а по высоте гильзы не превышает 40° С. С повышением нагрузки от 110 до 210 л. с. эти перепады возрастают у головки блока с 24 до 55° С, у поршня с 62 до 93° С и у гильзы цилиндров с 26 до 40° С.

Из деталей, образующих рабочий объем цилиндра, наименее однородное температурное поле имеет головка блока, что в основном объясняется ее сложной конфигурацией, неравномерностью охлаждения отдельных участков теплоотдающей поверхности, наличием относительно холодных впускных и горячих выпускных каналов. Максимальную температуру головка блока имеет в плоскостях, проходящих через ось форсунки и ось выпускного клапана.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала в общем случае приводит к повышению температуры деталей. Однако эта зависимость, как уже было сказано, не является линейной. Так, при работе по скоростной характеристике с изменением частоты вращения от 1300 до 2100 об/мин температура в центре головки блока дизеля ЯМЗ-238 изменяется с 230 до 284° С, а дизеля ЯМЗ-238НБ — с 276 до 296 С. На поршне в зоне первого компрессионного кольца дизеля ЯМЗ-238 температура возрастает от 187 до 210° С, а в верхней части гильзы цилиндров с 148 до 168°С.

Испытания показали, что увеличение или уменьшение угла опережения впрыска топлива по-разному влияет на изменение температуры поршня, гильзы и головки блока. При изменении этого угла в пределах 20-48 температура гильзы практически не изменяется, а у поршня и головки блока она возрастает линейно, причем более интенсивно у последней. Этот рост температур можно объяснить тем, что при увеличении угла опережения впрыска топлива повышается температура цикла.

Повышение температуры охлаждающей жидкости приводит к увеличению температуры деталей. Отношение изменения температур детали и охлаждающей жидкости головки блока составляет 0,5-0,7, а для гильз — 0,5. В то же время изменение расхода охлаждающей жидкости незначительно влияет на температуру головки блока и гильзы. Так, при изменении расхода жидкости с 60 до 100 л. мин температура разных точек гильзы изменяется на 6-12° С. Однако уменьшение циркуляции воды, неизбежное в условиях эксплуатации, может способствовать значительному повышению температуры и увеличению неоднородности температурного поля, вследствие чего может возникнуть большая остаточная деформация гильз, испытывающих существенные остаточные напряжения.

Материалы: http://www.dymz.ru/776-temperatury_porshnei_pri_rabote_na.html

Произведем анализ влияния скоростного и нагрузочного режима работы двигателя на изнашивание его деталей. Эти режимы характеризуются изменением нагрузки (подачи топливовоздушной смеси в цилиндры) и изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя (n, мин -1 ).

Величину нагрузки принято характеризовать величиной среднего эффективного давления в цилиндрах (Р_е, кПа).

Скоростной режим работы ДВС характеризуется постоянством нагрузки

(Р_е, кПа) и изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя (n, мин -1 ). С увеличением частоты вращения коленчатого вала повышаются износы поверхностей трущихся деталей двигателей. Это связано с возрастанием инерционных сил, механических нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма и цилиндропоршневой группы и температур поверхностей трения. При этом зависимости между износами деталей и n имеют степенной характер. Так, например, при повышении частоты вращения коленчатого вала на 10% нагрузки в подшипниках скольжения коленчатого вала повышаются на 20%.

Зависимости между износом (И, мкм) некоторых деталей двигателей и частотой вращения коленчатого вала (n, мин -1 ) представлены на рис. 5.2.

Из рис. 5.2 очевидно, что чем выше n, тем больше износы деталей, причем в зоне больших оборотов малое увеличение вызывает весьма существенное увеличение износов большинства деталей двигателей. Так что большие обороты двигателя с точки зрения изнашивания его деталей крайне нежелательны.

Рис.5.3. Влияние частоты вращения коленчатого вала и среднего эффективного давления на интенсивность изнашивания деталей ГАЗ, ЗМЗ при : 1 – цилиндры; 2 – поршневые кольца; 3 – шейки коленчатого вала; 4 – стержни клапанов и направляющие втулки.

Некоторое увеличение износов деталей при малыхn связано со снижением давления в системе смазки двигателей, а значит с ухудшением гидродинамического режима работы деталей. Это в большей степени проявляется на двигателях, имеющих большую наработку, т.е. режим малых оборотов на таких двигателях нежелателен.

Нагрузочный режим работы двигателей характеризуется, наоборот, постоянством частоты вращения коленчатого вала двигателя (n, мин -1 ) и изменением нагрузки (Р_е, кПа). При увеличении нагрузки (повышении подачи топливовоздушной смеси) интенсивность изнашивания деталей двигателя внутреннего сгорания увеличивается практически прямо пропорционально, то есть проценты возрастания Р_е и вызванные этим износы поверхностей деталей цилиндропоршневой группы и всего кривошипно-шатунного механизма одинаковы. Рост интенсивности изнашивания деталей при увеличении Р_е связан с увеличением количества рабочих газов в цилиндрах (больше сгорает топлива), а значит, возрастают механические нагрузки на детали цилиндропоршневой группы. Одновременно повышаются температуры трущихся поверхностей. Зависимости между износами (И, мкм) некоторых деталей двигателей и нагрузками (Р_е, кПа) представлены на рис.5.3.

Рис.5.3. Влияние частоты вращения коленчатого вала и среднего эффективного давления на интенсивность изнашивания деталей ГАЗ, ЗМЗ при : 1 – цилиндры; 2 – поршневые кольца; 3 – шейки коленчатого вала; 4 – стержни клапанов и направляющие втулки.

Таким образом, повышенный скоростной режим вызывает большее увеличение износов деталей цилиндропоршневой группы и всего кривошипно-шатунного механизма ДВС, чем повышенный нагрузочный режим. Это значит, что для обеспечения определенной скорости движения автомобиля на одном и том же участке дороги предпочтительнее двигаться на повышенной передаче (не на третьей, а на четвертой или, если есть, на пятой передаче). Следует еще раз оговориться, что если у автомобильного двигателя большой пробег, движение автомобиля при малых оборотах крайне нежелательно с точки зрения возрастания износов деталей.

Для увеличения долговечности двигателя следует путем изменения давления на педаль топливоподающего органа и переключением передач поддерживать частоту вращения коленчатого вала в пределах 2,0-2,5 от минимальных оборотов холостого хода. Например, на «Волге» (ГАЗ-3110) при этом по шоссе удается поддерживать скорость в пределах 70-80 км/ч. Заметим, что это также оптимальный режим по удельному расходу топлива и к тому же «щадящий» режим по износу шин.

Повышенной частоты вращения коленчатого вала двигателя необходимо всячески избегать. Неслучайно на всех автомобильных двигателях конструктивно предусмотрены ограничители частоты вращения коленчатого вала. В результате обеспечивается некоторый “недобор” мощности двигателя, но при этом до 30% увеличивается его ресурс. В этой связи необходимо скрупулезно следить за исправной работой ограничителей.

Ограничители частоты вращения коленчатого вала в дизельных двигателях, как правило, конструктивно располагаются в топливном насосе высокого давления (ТНВД) и работают по центробежному принципу, автоматически прикрывая топливо-регулирующий орган (рейку) при “перекрутке” двигателя. В карбюраторных двигателях грузовых автомобилей подобные ограничители, работая по пневматическому, инерционному, пневмо-инерционному принципу, обеспечивают прикрытие дроссельной заслонки при достижении критических с точки зрения долговечности двигателя значений n. В ряде двигателей завод-изготовитель для этих целей заведомо уменьшает проходное сечение жиклеров. В двигателях с впрыском топлива данная задача решается путем соответствующей регулировки электронной системы управления двигателем.

В любом случае с двигателей снимается не максимально возможная мощность ( ), а так называемая “номинальная” мощность ( ), что для примера показано на рис. 5.4 по внешней скоростной характеристике двигателя:

Рис.5.4. Внешняя скоростная характеристика двигателя

В грамотно составленной таблице технических характеристик автомобиля в этой связи всегда должно указываться значение не “максимальной”, а “номинальной” мощности двигателя.

Исправное функционирование ограничителей частоты коленчатого вала очень важно. Стремясь повысить скорость автомобилей, особенно на загородных магистралях, иногда их различными способами отключают. Максимальная скорость автомобиля возрастает, но при этом двигатель работает в условиях чрезмерного скоростного режима, приводящего к повышенным износам деталей.

Таким образом, необходимая скорость автомобиля на конкретном участке дороги обеспечивается соотношением положения топливоподающего органа (подачи топлива) и передаточным отношением в трансмиссии (передачей коробки перемены передач): большая подача – ниже передача коробки перемены передач, и наоборот. С точки зрения долговечности автомобильного двигателя и безотказности его работы предпочтительнее движение на повышенных передачах (при пониженной частоте вращения коленчатого вала двигателя).

Единственным недостатком такого стиля езды является невозможность быстрого набора скорости, например при обгоне, особенно в гору. Для увеличения динамики автомобиля в этом случае необходимо переключиться на пониженную передачу.

Наглядным примером эффективности владения на практике вышесказанной информацией могут быть данные статистической информации из научно-технических отчетов кафедры «Автомобильный транспорт» НГТУ. Была произведена оценка влияния квалификации водителей на долговечность и безотказность работы агрегатов (в том числе двигателей) автобусов ЛАЗ-695, эксплуатирующихся на пассажирских линиях в Нижнем Новгороде. Полученные данные приведены в табл. 5.1.

Материалы: http://lektsii.org/1-77315.html

Температура поршня и цилиндра - важный параметр для эксплуатационной безопасности

и срока службы. Пиковые температуры выхлопного газа, даже если они действуют короткое

время, могут достигнуть больше 2,200°C. Температуры выхлопного газа варьируются между

600 к 850°C для дизельных двигателей, и 800 к 1050°C для бензиновых двигателей.

Температура свежей смеси (воздух или смесь) может быть боле 200°C

для турбированных двигателей. Интеркуллеры на впуске уменьшают температуру до 40-60°C,

что обеспечивает лучшее заполнение камеры сгорания, так же использование впрыска водо-метанола дает хорошие показатели на впуске, об этом писал в теме про в пуск.

Из-за теплоемкости, поршня и других частей в камере сгорания невозможно точно определить температурные колебания. Но все же можно утверждать, что есть небольшая амплитуда изменения температуры поршня хоть и в несколько градусов, в зависимости от такта, впуск это или рабочий ход. Днище поршня первым подвергается нагреву раскаленными газами и поглощает различное количество тепла,

в зависимости от такта, оборотов двигателя и нагрузки. Высокая температура в первую очередь отводится через поршневые кольца к стенкам цилиндра, и в меньшей степени, юбкой поршня.

Дальше разберем самые нагруженные температурные области поршня, следует отметить что они различны для разных типов поршней и зависят от их формы и материала из которого они изготовлены. Типичные температурные распределения для бензинового и

дизельного двигателя показаны на рисунках 1.1 и 1.2.

Температурное распределение в

поршне бензинового двигателя

Температурное распределение в

поршне дизельного двигателя

Температурные уровни и распределение в поршне по существу зависят от следующих

• Тип двигателя (бензин/дизель)
• Число тактов (четырехтактный / двухтактник)
• Процесс сгорания (прямой впрыск/обычный впрыск)
• Режим двигателя (скорость, вращающий момент)

Прочность поршней, особенно из легких сплавов, очень зависит от температуры. Очень важно знать о высоко температурных зонах возникающих в процессе работы, возможном расширении металла в этих областях и сможет ли поршень выдерживать нагрузку в этих режимах, особенно при возникновении детонации. Хоть современные двигателе и оснащаются системами контроля детонации, но все же она уместна и может привести к серьезным последствиям . Высокие тепловые нагрузки вызывают быстрое старение метала или так называемая усталость. Чаще всего усталость металла наблюдается в соединении поршневого пальца и поршня, а также в канавке первого компрессионного кольца..

Чрезмерно высокая температура компрессионного кольца приводит к нагару масла в канавке, закоксованию и в следствии залеганию. Повышается нагрузка на остальные кольца и теряется герметичность камеры сгорания, через кольца прорываются отработанные газы нарушая смазку поршня, что приводит к увеличению силы трения и еще большему увеличению температуры поршня. в последствии его заклиниванию или задирам.

Материалы: http://enginepower.pro/blogi/45-temperatura-porshnya.html