Chương 2 TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chia sẻ: Vũ Văn Nghĩa | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:30

Thêm vào BST

Báo xấu

185
lượt xem 46
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Một trong những nhiệm vụ của nhân viên phục vụ ĐCĐT tàu quân sự là khai thác các chế độ làm việc của chúng, loại trừ quá tải, hư hỏng các chi tiết và mài mòn nhanh chóng. Trước tiên phân tích các điều kiện làm việc ở trên tàu và những trường hợp có thể làm cho ĐCĐT quá tải, cần thiết phải hiểu các khái niệm quá tải của động cơ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 2 TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chương 2 TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONGt 2.1. Khái quát Một trong những nhiệm vụ của nhân viên phục vụ ĐCĐT tàu quân sự là khai thác các chế độ làm việc của chúng, loại trừ quá tải, hư hỏng các chi tiết và mài mòn nhanh chóng. Trước tiên phân tích các điều kiện làm việc ở trên tàu và những trường hợp có thể làm cho ĐCĐT quá tải, cần thiết phải hiểu các khái niệm quá tải của động cơ. 2.1.1. Tải trọng của động cơ 1. Khái niệm Tải của động cơ được xác định bằng giá trị của mô men cản tại mặt bích xuất lực. ở chế độ làm việc ổn định của động cơ (n = const) mô men cản của máy tiêu thụ công bằng mô men xoắn của động cơ (MC = Me), vì vậy mô men xoắn cũng như mô men cản là chỉ số trực tiếp của tải động cơ. Ví dụ: Pe - áp suất có ích trung bình và - công có ích của khí trong xi lanh động cơ sau một chu trình. Thể hiện trong các phương trình (2.1) và (2.2): (2.1) (2.2) Ne - Công suất có ích của động cơ, cv; Me- Mô men xoắn có ích của động cơ. Z - Số xi lanh; Vh - Thể tích công tác của xi lanh, dm3; A, A1 - Các hệ số không đổi. 2. Các chỉ tiêu của tải Tải của động cơ được đặc trưng bằng những chỉ tiêu sau: a, Mô men có ích và áp suất có ích trung bình (Me, Pe):
Đúng nhất là đánh giá tải của động cơ theo các chỉ tiêu chỉ thị (M i, Pi), bởi vì công chỉ thị thể hiện trực tiếp được sự chuyển hoá nhiệt năng trong động cơ, nó dùng để thắng các lực bên trong cũng như bên ngoài. Các chỉ tiêu có ích (Me, Pe) được sử dụng các như là các chỉ tiêu tải là vì, trong các điều kiện khai thác động cơ trên tàu chúng dễ dàng đo đạc được. Ta hãy xem xét các chỉ tiêu khác của tải động cơ. b, Công suất có ích (Ne): Công suất có ích động cơ (Ne): là chỉ tiêu trực tiếp của tải trong điều kiện n = const, suy ra từ phương trình: Ne = (2.3) c, Tiêu hao nhiên liệu cho chu trình và tiêu hao nhiên liệu giờ ( , ) Các chỉ tiêu gần đúng của tải là tiêu hao nhiên liệu cho chu trình và tiêu hao nhiên liệu giờ. Ne = (2.4) Ne = (2.5) Đặt vào phương trình mô men xoắn: ( 2.6) Liên kết các thành phần không đổ i bằ ng các hệ số A3 và A 4, ta nhậ n đượ c: Me = A3. .η e (2.7) (khi nđc = const) (2.8) Trong trường hợp đánh giá tải động cơ theo tiêu hao nhiên liệu nên xét đến sự thay đổi của hiệu suất có ích. Việc tải phụ thuộc vào tiêu hao nhiên liệu dùng để tìm công suất của động cơ trong các điều kiện khai thác của tàu quân sự. Việc xác định được tiến hành theo bảng thành lập theo công thức: Ne = f( , nđc)
d, Áp suất cháy cực đại (PZ): Áp suất cháy cực đại (PZ) cũng là chỉ số gián tiếp và gần đúng của tải, bởi vì khi tải của động cơ tăng thì lượng cấp nhiên liệu cho chu trình tăng và áp suất cháy cực đại tăng. Khi nói về áp suất cháy cực đại giống như chỉ số gián tiếp của tải, cần phải lưu ý PZ còn phụ thuộc cả vào áp suất tăng áp, vào góc phun sớm nhiên liệu, các điều kiện ngoại cảnh và các yếu tố khác. Khi khai thác động cơ, giá trị P Z dùng để phân tích chất lượng trạng thái cân bằng đồng đều tải của các xylanh và của động cơ nói chung. e, Nhiệt độ khí xả của các xylanh và trong ống góp khí xả: Nhiệt độ khí xả của các xylanh và trong ống góp khí xả cũng là chỉ tiêu gián tiếp của tải động cơ, bởi vì nhiệt độ của tải sẽ thay đổi theo hướng thay đổi của tải. Mặt khác cũng giống như áp suất cháy cực đại thì nhiệt độ của khí thải cũng phụ thuộc vào góc phun sớm nhiên liệu, vào chế độ làm mát và vào một số yếu tố khác. Giá trị nhiệt độ của khí thải dùng để đánh giá chất lượng tải của các xylanh và của động cơ nói chung. Trong thời gian động cơ làm việc kết quả cháy nhiên liệu theo quá trình công tác và truyền mômen xoắn cho máy tiêu công, trong các chi tiết xuất hiện các ứng suất nhiệt và cơ khí; các chỉ tiêu của ứng suất nhiệt và ứng suất cơ khí dùng để xác định độ bền và tuổi thọ của các chi tiết. 2.1.2. ứng suất cơ khí ứng suất cơ khí của động cơ được đặc trưng bởi giá trị và đặc tính thay đổi của các ứng suất cơ khí, sự biến dạng và các áp suất riêng xuất hiện trong các chi tiết và ổ đỡ khí động cơ mang tải. Các ứng suất cơ khí, biến dạng và áp suất riêng được xác định bằng các giá trị và tính chất thay đổi của các lực tác dụng trong các chi tiết của động cơ trong thời gian động cơ làm việc. Khả năng làm việc của động cơ, các điều kiện bôi trơn và mài mòn, khẳ năng xuất hiện các ứng suất mỏi và những hư hỏng trong các chi tiết, cơ cấu dẫn động và trong các ổ đỡ đều phụ thuộc vào mức độ của cường độ cơ khí. Mức độ công tác theo cường độ cơ khí của động cơ thường được đảm bảo bằng hệ số dự trữ sức bền cao, mặt khác trong một số động cơ cường hoá có một
số chi tiết hiện nay cường độ cơ khí của chúng đạt gần đến giới hạn. Nếu dưới sự ảnh hưởng của bất kỳ một yếu tố nào làm cho sự tác dụng của các lực hoặc thay đổi tính chất thì có thể dẫn đến làm hư hỏng các chi tiết, hư hỏng động cơ. Điều đó có thể chứng minh qua một số trường hợp hư hỏng của động cơ do gãy thanh truyền, trục khuỷu, nứt các chi tiết cố định và trong các chi tiết khác. 2.1.3. ứng suất nhiệt Nhiệt lượng do nhiên liệu cháy sản ra trong xi lanh động cơ chuyển một phần thành công chỉ thị, phần còn lại thải cùng với khí thải ra ngoài môi trường và truyền cho nước làm mát. Các sản vật cháy tiếp xúc với chi tiết của động cơ nung nóng chúng đến nhiệt độ cao có thể làm phân giải và đốt cháy dầu bôi trơn trên các bề mặt của pít tông, xéc măng và mặt gương của xi lanh. Kết quả sẽ phá huỷ sự bôi trơn của các chi tiết kể trên, tăng nhanh độ mài mòn thậm chí làm kẹt pít tông. Kết quả của việc nung nóng còn làm giảm độ bền cơ khí của các vật liệu chi tiết. Để giữ nhiệt độ các chi tiết trong giới hạn tiêu chuẩn đảm bảo việc bôi trơn bền vững và để đảm bảo độ bền cơ khí cần thiết của các chi tiết động cơ cần phải làm mát chúng. Kết quả làm mát trong các chi tiết bị nung nóng do nhiên liệu cháy là có sự giáng nhiệt độ và xuất hiện các ứng suất nhiệt. Để đánh giá độ bền vững khai thác của các chi tiết diêzen nằm trong vùng trao đổi nhiệt mạnh, và có nhiệt độ cao, dựa vào hai tiêu chuẩn: Nhiệt độ và gradiên nhiệt giữa bề mặt nung nóng và bề mặt làm mát của các chi tiết. Các tiêu chuẩn này quy ước trạng thái nhiệt của các chi tiết. Trong tài liệu ĐCĐT, tiêu chuẩn cường độ toả nhiệt được sử dụng rộng rãi, đôi khi còn gọi là tải trọng nhiệt lên các chi tiết của động cơ, giống như là dòng nhiệt đi qua bề mặt của các chi tiết trong một đơn vị thời gian. Kcal/m2h (2.8) Q - Dòng nhiệt đi qua bề mặt chi tiết, Kcal/h; F - Bề mặt chi tiết, m2. Dòng nhiệt có thể cho phép đánh giá được nhiệt độ của bề mặt. Mặt khác bản thân của dòng nhiệt không thể đánh giá được trạng thái nhiệt, các ứng suất
nhiệt và các yếu tố khác quy ước độ bền và khả năng làm việc của các chi tiết. Độ bền, khả năng làm việc và tuổi thọ trong các điều kiện thay đổi chế độ nhiệt độ của diêzen chỉ có thể được đặc trưng bằng một tập hợp các chỉ tiêu: 1. Nhiệt độ trong các vùng đặc trưng của các chi tiết Ti hoặc các thông số không thứ nguyên tạo bởi tỷ số của các nhiệt độ này với nhiệt độ giới hạn cho phép trong vùng cho trước, 2. Các ứng xuất nhiệt δ Ti do các chênh lệch nhiệt độ, là tổng đại số với các ứng suất do tải trọng cơ khí, hoặc các thông số không thứ nguyên tạo bởi các thông số của các ứng suất này với ứng suất giới hạn. 3. Giá trị của các khe hở trong các chi tiết liên kết của động cơ hoặc các thông số không thứ nguyên tạo bởi tỉ số của các khe hở này với giới hạn cho phép. 2.2. Cường độ cơ khí và các chỉ tiêu của ứng suất cơ khí trong các chi tiết động cơ ứng suất cơ khí của động được đặc trưng bằng ứng suất biến dạng và áp suất riêng xuất hiện trong các chi tiết khi động cơ mang tải. Do trực tiếp các ứng suất hoặc các chi tiêu trực tiếp của cường độ cơ khí động cơ rất khó phân tích, vì vậy để đánh giá chúng ở các tải khác nhau trong điều kiện khai thác có thể sử dụng các chỉ tiêu gián tiếp, dựa vào đó có thể dự đoán về sự thay đổi đạt đến giới hạn nguy hiểm của các ứng suất cơ khí. Để xác lập các chỉ tiêu gián tiếp ta xem các lực tác dụng lên các chi tiết cơ bản của động cơ trong thời gian hoạt động. 2.2.1. Cường độ cơ khí của các chi tiết cố định Các chi tiết cố định của động cơ trong thời gian làm việc chịu các lực tác dụng của áp suất khí thể trong xi lanh. Lực cực đại tác dụng lên chi tiết cố định được xác định bằng giá trị áp suất cháy cực đại (áp suất cực đại của chu trình) PZ, là chỉ tiêu gián tiếp của cường độ cơ khí của chi tiết cố định. Ngoài lực P Z ra còn có tác dụng của lực xiết ban đầu lên các chi tiết lắp ghép của chi tiết cố định, các liên kết neo, nắp xi lanh và các gu jông lực. Hệ số dự trữ sức bền của các chi tiết này sẽ tỉ lệ nghịch với PZ . Để không nguy hiểm cho các chi tiết lắp ráp chi tiết cố định, việc xiết chúng phải thực hiện hết sức chính xác theo tài liệu hướng dẫn với sử dụng cần xiết có đồng hồ đo lực đặc biệt, các kích thuỷ lực hoặc bằng cách kiểm tra độ giãn dài của các gu jông.
Ngoài các tải trọng lắp ráp thông thường, trong các chi tiết có thể xuất hiện các ứng lực phụ do sự sai sót cho phép trong khi lắp ráp. Đặc biệt nguy hiểm là bề mặt đai ốc không vuông góc với tấm gu jông hoặc đến bề mặt tựa, làm xuất hiện thêm các ứng suất ứng phụ. Các ứng suất phụ trong các chi tiết cố định, trong liên kết neo và nắp xi lanh có thể xuất hiện cả trong chấn động của các chi tiết này hoặc khi biến dạng của vỏ tàu. 2.2.2. Cường độ cơ khí của cơ cấu tay quay thanh truyền Cơ cấu quay thanh truyền của động cơ chịu tác dụng của các tải trọng có chu kỳ biến đổi, và do đó việc phá huỷ các chi tiết mang đặc tính mệt mỏi. Các trị ứng suất mệt mỏi trong các chi tiết phu thuộc vào biên độ lực tác dụng lên các chi tiết chuyển động. Để xác định chỉ tiêu gián tiếp của cường độ cơ khí cơ cấu tay quay thanh truyền cần thiết phải xét các lực tác dụng lên chi tiết của nó và sự ảnh hưởng của tải và chế độ làm việc của động cơ đến đặc tính thay đổi theo chu kỳ của các lực. Lực động P tác dụng lên các chi tiết chuyển động là tổng các lực: P = Pkc + Pj + P0 + Pms + Pp (2.12) Pkc- Áp suất khí cháy; Pj - Lực quán tính của các khối lượng chuyển động pít tông và thanh truyền; P0 - Lực áp suất khí quyển tác động lên pít tông; Pms - Lực ma sát; Pp - Lực của khối lượng pít tông. Các lực P0, Pms, Pp có thể bỏ qua vì giá trị thực tế và sự phụ thuộc của chúng vào chế độ làm việc của động cơ ít. Như vậy, với mức độ chính xác tương đối có thể xác định P theo phương trình: P = Pkc + Pj (2.13) Ngoài ra trên các chi tiết chuyển động còn có tác dụng của các lực quán tính ly tâm của các khối lượng quay thanh truyền và trục khuỷu, cả các lực xuất hiện trong các dao động xoắn của trục khuỷu. Mặt khác sự thay đổi của cường độ cơ khí các chi tiết tay quay thanh truyền trong khi khai thác động cơ chủ yếu phụ thuộc vào lực áp suất khí cháy và lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh
tiến. Ta xét đồ thị thay đổi của các lực này trong một chu kỳ của động cơ diêzen hai kỳ và bốn kỳ. Trên hình 2.1 biểu diễn các đồ thị thay đổi của các lực tác dụng trong một chu kỳ lên pít tông của cơ cấu quay tay thanh truyên động cơ. Các đồ thị cho phép xác định biên độ của lực động P. Từ các đồ thị ta có: - Đối với động cơ bốn kỳ: (2.14) - Đối với động cơ hai kỳ: (2.15)
P Pkc P Pmax a) Pj π 2π 3π 0 Pmi n Pkc P b) Pmax 0 π 2π Pmi Pj n Hình 2.1. Sự thay đổi các lực tác dụng lên pít tông trong quá trình công tác của chu kỳ Độ dự trữ bền trong má trục khuỷu (tay quay) theo các ứng suất pháp tuyến được xác định bằng phương trình: (2.16) σ a - biên độ các ứng suất pháp tuyến; σ -1 - giới hạn mỏi các ứng suất pháp tuyến; Kσ - hệ số tập trung của các ứng suất pháp tuyến; ε σ - hệ số ảnh hưởng của các kích thước tuyệt đối. Do biên độ của các ứng suất pháp tuyến tỷ lệ với biên độ của lực động, công thức cho độ dự trữ bền có dạng: - Đối với động cơ bốn kỳ:
(2.17) - Đối với động cơ hai kỳ: (2.18) a - hệ số tính đến các số hạng không đổi; Z - số xylanh của động cơ. Lực tiếp tuyến tổng t Σ là hàm số chu kỳ của góc quay của trục. Chu kỳ thay đổi của lực này đối với động cơ bốn kỳ bằng , đ ộ ng c ơ hai kỳ b ằ ng . Tính chất thay đổi của lực tiếp tuyến tổng t Σ quy định biên độ của các ứng suất tiếp tuyến. Sự thay đổi lực t Σ về giá trị thể hiện sự không đồng đều của mômen xoắn, là nguyên nhân gây ra dao động xoắn của trục khuỷu. Trên hình 2.2 biểu diễn sự thay đổi tΣ của lực tiếp tuyến trong một chu kỳ. Như + trên hình vẽ: - tΣmax - (2.19) tΣtb (2.20) tΣmin Từ tính toán và các kinh nghiệm cho thấy rằng: (2.21) Hình 2.2. Sự thay đổi của lực tiếp tuyến tổng Ki - hệ số phụ thuộc vào số xylanh và số kỳ của động cơ. Như vậy, biên độ của các lực tiếp tuyến và suy ra ứng suất tiếp cũng tỷ lệ với áp suất cháy cực đại PZ. Độ dự trữ bền cho các ứng suất tiếp tuyến:
(2.22) τ -1 - Giới hạn mỏi khi xoắn đối với chu kỳ đối xứng; τ a - Biên độ của các ứng suất tiếp; Kτ - Hệ số tập trung ứng suất tiếp; ε τ - Hệ số ảnh hưởng của các kích thước tuyệt đối. Độ dự trữ bền theo ứng suất tiếp của trục khuỷu cũng sẽ tỷ lệ nghịch với áp suất cháy cực đại PZ. (2.23) b - Hệ số tính đến các giá trị không đổi. Có thể rút ra kết luận là giá trị áp suất cháy cực đại PZ là chỉ tiêu gián tiếp của cường độ cơ khí của các chi tiết nhóm tay quay thanh truyền và cả động cơ nói chung. Không cho phép tăng PZ cao hơn giá trị quy định. Đối với đa số các chế độ làm việc của động cơ điều này đảm bảo cho động cơ khỏi quá tải về ứng suất cơ khí. Việc sử dụng thuận tiện áp suất cháy cực đại với tính chất là chỉ tiêu gián tiếp của cường độ cơ khí là vì trong điều kiện tàu quân sự có thể xác định bằng đo đạc một cách dễ dàng nhờ đồng hồ đo áp suất cực đại và máy đo công cơ khí. Khi phân tích cường độ cơ khí không những chỉ xét giá trị tuyệt đối của áp suất cháy cực đại mà còn xét đến tính chất động học của nó. Tính chất động học của Pz được đặc trưng bằng tốc độ tăng áp suất (độ cứng làm việc của động cơ) ∆P/∆α và mức độ tăng áp suất. Các động cơ tàu quân sự được thiết kế sao cho bảo đảm được sự làm việc mềm, do đó chúng được sử dụng nhiên liệu động cơ có chất lượng cao, đặc biệt là lựa chọn góc phun sớm nhiên liệu ϕ s tối ưu. Nếu do tác dụng của bất kỳ một yếu tố nào, tốc độ tăng áp suất vượt quá các giá trị cho phép thì ảnh hưởng trước hết đến độ bền của các ổ đỡ cơ cấu tay quay thanh truyền.
Nguyên nhân hư hỏng của động cơ có thể do việc tăng cường độ cơ khí do việc tăng rất lớn lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và quay P j và PR, giá trị của chúng được xác định bằng các phương trình: PJ = MJRω 2(cosα + λcos2α) (2.24) PR = MRRω 2 (2.25) Trong đó: MJ , MR - Khối lượng của những chi tiết chuyển động thẳng và chuyển động quay; R - Bán kính quay; ω - Tốc độ góc quay của trục khuỷu; λ - Tỷ số bán kính tay quay với chiều dài thanh truyền; α - Góc quay của trục khuỷu. Rõ ràng từ các công thức (2.24), (2.25), giá trị lực quán tính các chi tiết của cơ cấu tay quay thanh truyền của một động cơ cụ thể được xác định chỉ bằng giá trị tốc độ góc của trục khuỷu. Các lực quán tính của các khối lượng chuyển động thẳng của động cơ hai kỳ làm giảm biên độ của lực động, còn ở động cơ bốn kỳ thì ngược lại. Nên ở các điều kiện như nhau, động cơ bốn kỳ có tải trọng cơ khí lớn hơn. Các ứng suất cơ do các lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và quay có thể vượt quá các giá trị cực đại cho phép, và thậm chí dẫn đến hư hỏng hoặc gây sự cố cho động cơ, nếu ở số vòng quay vượt quá giới hạn cho phép. Trường hợp này làm tăng tải đột ngột lên các ổ đỡ trục khuỷu và cuối cùng làm nóng chảy ổ đỡ và kẹt trục khuỷu. Trong trục khuỷu và trong một số chi tiết có thể xuất hiện các dao động xoắn gây ra các ứng suất nguy hiểm. Để giảm bớt các dao động xoắn người ta sử dụng một loạt các biện pháp, như: lựa chọn góc kẹp tay quay của trục khuỷu hợp lý nhất, đặt các bộ giảm chấn hoặc giảm xung. Mặt khác các dao động xoắn có thể xuất hiện và đạt đến các giá trị nguy hiểm, khi đó các ứng suất cơ khí vượt quá các giá trị cực đại cho phép dẫn đến gãy chi tiết. Điều này xảy ra có thể do việc tăng độ không đồng đều của mô men xoắn và khi có sự thay đổi các kết cấu riêng. Ví
dụ: khi sai lệch sự điều chỉnh lượng nhiên liệu đồng đều cấp cho chu trình theo các xy lanh hoặc khi ngừng hoàn toàn quá trình công tác trong một số xy lanh, khi góc phun sớm nhiên liệu sai lệch, khi tháo dỡ các cụm và các chi tiết riêng làm thay đổi giá trị mô men quán tính các khối lượng quay hoặc tần số dao động riêng của các khối lượng này. Những người khai thác, vận hành cần phải đặc biệt chú ý đến việc điều chỉnh động cơ, đồng thời đến sự thay đổi các kết cấu như gờ bánh đà, khớp nối, chân vịt và thay thế các liên kết mềm trung gian. 2.2.3. Các chỉ tiêu gián tiếp của cường độ cơ khí - Áp suất cháy cực đại Pz; - Tốc độ tăng áp suất (độ cứng làm việc của động cơ): ; - Tốc độ góc ω hay số vòng quay của trục khuỷu n đc; - Mức độ dao động xoắn và chấn động của trục. Động cơ có thể hư hỏng do việc tăng lâu dài một trong những chỉ số trên hoặc do kết quả xuất hiện vùng cộng hưởng của các dao động xoắn. Khi phân tích sự thay đổi ứng suất cơ khí của động cơ do tác dụng của các yếu tố khai thác bất kỳ, trước hết là theo dõi sự thay đổi của các chỉ tiêu gián tiếp kể trên. 2.2.4. Sự quá tải về mặt cơ khí của động cơ Việc quá tải về phương diện ứng suất cơ khí làm giảm độ bền và tuổi thọ của động cơ. Sự phức tạp của vấn đề này lừ ở chỗ, việc quá tải về phương diện cơ khí trong rất nhiều trường hợp có thể không xuất hiện tức thời mà trải qua một khoảng thời gian. Điều đó đòi hỏi nhân viên phục vụ động cơ phải hiểu biết bản chất vật lý của các hiện tượng và thấy trước sự nguy hiểm của chúng hoặc các trường hợp quá tải cơ khí khác. Việc quá tải có thể dẫn đến làm tăng nhanh chóng cường độ hư hỏng các chi tiết và nhanh chóng phá huỷ động cơ, nếu như các ứng suất cơ khí trong một số chi tiết vượt quá giới hạn bền hoặc áp suất riêng trong các ổ đỡ trở nên lớn hơn khả năng chịu đựng của chúng. Việc quá tải động cơ về mặt ứng suất cơ khí có thể từ một số trường hợp đặc trưng sau:
- Khi có sự thay đổi tương đối góc phun sớm nhiên liệu về phía tăng đột ngột áp suất cháy cực đại và làm tăng độ cứng làm việc của động cơ. ở các tải gần với toàn tải, các ứ ng suấ t cơ khí có thể vượ t quá các giớ i hạ n cự c đại cho phép. - Khi có sự ảnh hưởng của các điều kiện bên ngoài có liên quan đến việc giảm tương đối lớn nhiệt độ không khí ở cửa nạp của động cơ. Việc tăng áp suất cháy cực đại và độ cứng làm việc trong trường hợp này cần phải được kiểm tra. - Sự sai lệch điều chỉnh động cơ theo lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, việc sử dụng loại nhiên liệu không tiêu chuẩn, có số xê tan nhỏ, quá tải chung của động cơ, giảm nhiệt độ của nước làm mát cũng làm tăng áp suất cháy cực đại, tăng độ cứng làm việc của động cơ. - Tăng số vòng quay giới hạn làm tăng các lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và quay, tăng các áp suất riêng trên các ổ đỡ của trục khuỷu và gây sự nóng chảy chúng. Qui tắc khai thác các ĐCĐT tàu thuỷ buộc các nhân viên phải định kỳ kiểm tra tải của động cơ theo các chỉ tiêu gián tiếp của cường độ cơ khí, trong đó theo áp suất cháy cực đại Pz có thể đo được trên tàu bằng các thiết bị đồng hồ đo áp suất cực đại hoặc máy đo công chỉ thị. Việc kiểm tra áp suất cháy cực đại đặc biệt quan trọng ở các tải của động cơ gần với tải toàn bộ. 2.3. Trạng thái nhiệt và các chỉ tiêu gián tiếp của trạng thái nhiệt trong động cơ Trạng thái nhiệt của các chi tiết nhóm xy lanh - pít tông được xác định bằng nhiệt độ ở bề mặt các chi tiết đó và sự chênh lệch nhiệt độ (građien nhiệt độ) giữa mặt bị nung nóng và bề mặt làm mát. Việc giữ cho động cơ và các chi tiết nằm trong giới hạn nhiệt độ cho trước có ý nghĩa lớn trong việc bảo đảm sự làm việc bền vững của động cơ. 2.3.1. Nhiệt độ các chi tiết của động cơ 1. Nhiệt độ cực đại trên bề mặt của pít tông Nhiệt độ cực đại được qui định giống như một qui luật trên bề mặt trực tiếp tiếp xúc với khí cháy tại tâm của đáy pít tông hoặc ở chu vi (hình 2.3), nhiệt độ này 300 300 280 quyết định độ bền cơ khí của vật liệu chế tạo pít tông. 280 260 260 220 200 180 160 140 Hình 3.3. Sơ đồ phân bố nhiệt trên tiết diện pít
Nhiệt độ giới hạn cho phép đối với các vật liệu khác nhau được sử dụng trong chế tạo pít tông như sau: - Hợp kim nhôm nhẹ: 225 - 3500C; - Gang: 400 - 4500C; - Thép: 450 - 5000C. Nếu trong thời gian động cơ làm việc, nhiệt độ của pít tông tăng đến giá trị cực đại cho phép thì độ bền của vật liệu giảm nhanh, nên có thể dẫn đến xuất hiện các vết nứt, biến dạng dư và cuối cùng pít tông bị hỏng. 2. Nhiệt độ cực đại của pít tông ở vùng bố trí các xéc măng khí trên cùng. Do các xéc măng của pít tông, trong đó có các xéc măng trên cùng chỉ làm việc bình thường nếu được bôi trơn, nhưng nhiệt độ của pít tông ở vùng xéc măng trên cùng quyết định điều kiện bôi trơn xéc măng và tính phân giải của dầu trong các rãnh xéc măng ở nhiệt độ đã cho. Nếu nhiệt độ của pít tông ở vùng bố trí các xéc măng cao hơn giá trị giới hạn cực đại cho phép thì dầu bắt đầu phân giải mạnh thành các chất keo làm các xéc măng mất tính tự do, như thường nói là “cháy” hoặc kẹt”. Quá trình này còn tiếp tục tăng lên khi nào pít tông chưa bị kẹt. Kinh nghiệm chọn lọc và khai thác các điêzen cho thấy rằng, nhiệt độ giới hạn cho phép ở vùng lắp các xéc măng khí khi sử dụng các loại dầu tiêu chuẩn có các chất pha là 2000C. Đối với các động cơ cường hoá cao tốc giới hạn này có thể nâng lên đến 220 - 2400C. Đối với các xéc măng có tiết diện hình thang dài là 2450C. Việc tăng giới hạn trên của nhiệt độ trên vùng lắp các xéc măng khí được quyết định bằng tính bền vững của dầu chống lại sự phân giải ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Biện pháp tích cực để tăng tính bền vững của dầu là sử dụng các chất phụ gia đặc biệt. 3. Nhiệt độ cực đại trên bề mặt đáy pít tông Nhiệt độ đã cho đặc trưng cho tính tích cực chống lại sự phân giải dầu và hình thành lớp keo. Việc hình thành lớp keo làm xấu đi sự truyền nhiệt của pít tông
trong tất cả các điểm của nó. Việc tăng giới hạn cực đại của nhiệt độ sẽ phá huỷ tính bền vững và tuổi thọ của động cơ. Nhiệt độ giới hạn của bề mặt đáy pít tông được bảo đảm nhờ được làm mát bằng dầu, ở nhiệt độ đó tốc độ phân giải dầu và hình thành lớp keo nằm trong các giới hạn cho phép, đó là nhiệt độ gần 2000C (nếu động cơ dùng các loại dầu tiêu chuẩn). 4. Nhiệt độ bề mặt công tác của lót xy lanh ở phần trên vùng bố trí các xéc măng. Nhiệt độ này được đặc trưng bằng: - Thứ nhất, điều kiện làm việc của dầu bôi trơn lót xy lanh ở vùng đó; - Thứ hai, những điều kiện bão hoà hơi nước chứa trong không khí nạp và tạo ra trong khi cháy nhiên liệu. Cường độ bão hoà của các hạt nước trên bề mặt công tác của lót xy lanh phụ thuộc vào áp suất cục bộ của hơi nước trong không khí nạp vào xy lanh động cơ, hơi nước tạo ra trong khi đốt cháy nhiên liệu (cứ 1kg nhiên liệu đốt cháy, trung bình tạo ra gần 1, 7g hơi nước) và vào áp suất cục bộ bão hoà hơi tương ứng với nhiệt độ trên bề mặt lót xy lanh. Trong thời gian của quá trình nén không khí nạp, cháy và giãn nở của sản vật cháy, áp suất cục bộ của hơi nước tăng lên tỷ lệ với độ tăng áp suất trong xy lanh và trở nên lớn hơn áp suất bão hoà. Trên bề mặt của lót xy lanh đọng hơi nước. Số lượng hơi nước đọng lại càng nhiều thì hiệu của áp suất cục bộ của hơi nước trong môi trường không khí và áp suất bão hoà trên bề mặt lót xy lanh càng lớn. Hạt nước đọng trên bề mặt lót xy lanh hoà với dầu tạo ra trên bề mặt lót xy lanh lớp axit và các thành phần hoá học khác, làm già hoá dầu và đẩy mạnh sự ăn mòn rỉ sét. Để giảm bớt sự tụ ẩm, nhiệt độ của bề mặt lót xy lanh cần phải tăng lên, còn để bảo vệ vững chắc màng dầu bôi trơn ở vùng bố trí các xéc măng trên cùng cần phải giảm xuống. Kết quả nghiên cứu cho thấy, sự mài mòn nhỏ nhất ở phần trên lót xy lanh có được khi nhiệt độ bề mặt của nó bằng 160 - 1700C. 5. Nhiệt độ cực đại của xu páp Nhiệt độ cực đại của xu páp qui định độ bền cơ khí của vật liệu chế tạo nó, các điều kiện bôi trơn của các xu páp trong ống dẫn hướng và cả độ mòn rỉ bề mặt công tác của đế và nấm xu páp.
Khả năng làm việc của động cơ được xác định không phải bằng một trong các chỉ tiêu kể trên mà là bằng cả một tập hợp các chỉ tiêu. Nếu một trong các nhiệt độ vượt quá giá trị cho phép cực đại thì khả năng làm việc của động cơ bị phá huỷ, không kể đến việc nhiệt độ ở các vùng khác nhau còn lại đều thích hợp. Các động cơ tàu quân sự cao tốc hiện đại được thiết kế sao cho, khi động cơ làm việc ở các chế độ gần với toàn tải, các chỉ tiêu đặc trưng cho trạng thái nhiệt của các chi tiết gần với các giá trị giới hạn. Độ dự trữ bền chung theo cường độ nhiệt không lớn lắm và mỗi một sai lệch của chế độ công tác khỏi chế độ định mức (ví dụ sự quá tải của động cơ) không tránh khỏi việc làm tăng nhiệt độ của các chi tiết, làm giảm hoặc mất hoàn toàn độ dự trữ bền về cường độ nhiệt và cuối cùng đưa đến động cơ hư hỏng trước thời hạn. Một trong những nhiệm vụ của người khai thác vận hành là không cho phép tăng nhiệt độ giới hạn cho phép của các chi tiết nhóm pít tông - xy lanh. Trong điều kiện không có các dụng cụ kiểm tra nhiệt độ các chi tiết cần phải sử dụng các chỉ tiêu gián tiếp của trạng thái nhiệt động cơ. 2.3.2. Nhiệt độ trong xy lanh động cơ, sự đánh giá gần đúng dòng nhiệt riêng trung bình và nhiệt độ của các chi tiết Trạng thái nhiệt của các chi tiết được đánh giá bằng nhiệt độ của các bề mặt và độ chênh lệch nhiệt độ giữa các vách. Để kiểm tra sự làm việc động cơ, các phương pháp hiện đại không tiến hành đo trực tiếp nhiệt độ. Trạng thái nhiệt của động cơ được đánh giá bằng các chỉ tiêu gián tiếp. Để rút ra các chỉ tiêu gián tiếp của trạng thái nhiệt cần phải xem xét quá trình truyền nhiệt trong xy lanh động cơ, tìm ra sự phụ thuộc toán học để xác định nhiệt độ trên bề mặt chi tiết và sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vách và cả việc xác định các yếu tố phụ thuộc của các nhiệt độ này. 1. Các đặc tính của quá trình truyền nhiệt trong xy lanh ĐCĐT Quá trình truyền nhiệt trong xy lanh động cơ có các đặc tính như sau: - Đặc tính định kỳ của quá trình công tác dẫn tới việc toả nhiệt tập trung và tác dụng nhiệt tập trung lên các chi tiết tạo thành buồng đốt; - Nhiệt độ khí ở chế độ làm việc ổn định trong chu kỳ dao động từ giá trị cực tiểu trong thời gian quá trình nạp đến cực đại trong thời gian quá trình cháy;
- Nhiệt độ các chi tiết bị nung nóng trong thời gian làm việc phân bố không đồng đều; - Trong quá trình truyền nhiệt, diện tích bề mặt mà dòng nhiệt đi qua không giữ nguyên mà thay đổi có tính chu kỳ khi pít tông chuyển động lên điểm chết trên và xuống điểm chết dưới; - Trong xy lanh động cơ có ba hình thức truyền nhiệt cơ bản: Bức xạ nhiệt, dẫn nhiệt và đối lưu; - Khí trong xy lanh có sự thay đổi tỷ trọng và chuyển động xoáy. Tất cả những đặc tính này được tính đến trong khi phân tích mối quan hệ phụ thuộc, hơn nữa sự phụ thuộc này là rất lớn. 2. Các giả thiết khi phân tích quá trình truyền nhiệt trong xy lanh động cơ Để đơn giản bớt các biểu thức tính toán ta có những giả thiết sau: - Dòng nhiệt không ổn định được thay thế bằng dòng nhiệt ổn định ở điều kiện là lượng nhiệt được truyền giữ nguyên không đổi đối với một chế độ làm việc cho trước; - Nhiệt độ khí, nhiệt độ các vách và nhiệt độ nước không thay đổi; - Hình dáng phức tạp của vách xy lanh thay thế bằng vách phẳng (đối với trường hợp tỷ số chiều dày của vách và đường kính xy lanh nhỏ); - Diện tích bề mặt truyền nhiệt coi như không thay đổi. Quá trình truyền nhi ệt trong xy lanh t ạ m chia ra làm ba pha nố i ti ếp nhau: - Truyền nhiệt từ khí nóng đến vách xy lanh; - Truyền nhiệt qua vách; - Truyền nhiệt từ vách đến nước làm mát. αW αkh Hình 2.4 biểu diễn sơ đồ truyền nhiệt trong xy lanh động cơ. Nướ Khí c 3. Sự truyền nhiệt từ khí đến vách Tkh Truyền nhiệt từ khí đến vách đượcTxác định trên cơ sở truyền nhiệt tiếp xúc V1 (đối lưu) theo định luậTV2 -tơn. t Niu TW δ Hình 3.4. Sơ đồ truyền nhiệt từ khí đến nước làm mát qua vách xi lanh
Qkh = αkh(Tkh - Tv1)F.τ ; Kcal (2.26) Tkh - Nhiệt độ của khí; Tv1- Nhiệt độ của vách xy lanh phía buồng đốt; αkh - Hệ số toả nhiệt đối lưu từ khí cháy đến vách xi lanh (hệ số truyền nhiệt); F - Diện tích bề mặt truyền nhiệt; τ - Thời gian truyền nhiệt. Truyền nhiệt bằng bức xạ rất khó tính toán, thực tế thường coi việc truyền nhiệt bằng bức xạ chiếm 10 - 13% của tổng số dòng nhiệt. Trong tính toán có khi coi toàn bộ sự truyền nhiệt bằng cách trao đổi nhiệt đối lưu. Hệ số truyền nhiệt từ khí đến vách α k là hàm số của nhiệt độ và áp suất: αkh = f(Tkh, Pkh) Sau thời gian của chu trình hệ số thay đổi trong phạm vị rộng. Hệ số truyền nhiệt có thể tính cho mỗi thời diểm của chu trình công tác theo các công thức kinh nghiệm nhận được trên cơ sở các thực nghiệm trên động cơ. , Kcal/m2h.độ (2.27) a,b - Các hệ số lựa chọn qua thực nghiệm; Pkh - Áp suất của khí trong xi lanh; Tkh - Nhiệt độ của khí trong xi lanh; Cm - Tốc độ trung bình của pít tông. , Kcal/m2h.độ (2.28) , Kcal/m2h.độ (2.29) n1, n2 - Các hệ số xác định bằng thực nghiệm;
γ kh - Khối lượng riêng của khí trong xi lanh. 4. Sự truyền nhiệt qua vách xi lanh Nhiệt lượng môi chất truyền qua vách xi lanh được xác định bằng phương trình: ; Kcal (2.30) ∆T- Chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt vách; δ - Chiều dày của vách xi lanh; λ - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu vách, Kcal/m2h.độ. Nếu vật liệu vách đồng nhất thì nhiệt độ trong vách ở chế độ ổn định thay đổi theo qui luật tuyến tính. 5. Sự truyền nhiệt từ mặt ngoài của vách cho nước làm mát Sự truyền nhiệt từ mặt ngoài của vách cho nước làm mát được xác đinh bằng phương trình sau: QW = α W(T2 - TW)F.τ , Kcal (2.31) TW - Nhiệt độ của nước, 0K; TV2- Nhiệt độ của vách xy lanh phía làm mát, 0K; F - Diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2; τ - Thời gian, s; αW - Hệ số toả nhiệt đối lưu giữa vách và nước làm mát; Kcal/m2h.độ. , Kcal/m2h.độ (2.32) W- Tốc độ của nước, m/s. 6. Xác định các chỉ số trạng thái nhiệt của các chi tiết Đối với trạng thái nhiệt ổn định, giá trị của dòng nhiệt từ khí đến vách, qua vách và từ vách đến nước mát sẽ giống nhau: (2.33) Khi đặt các giá trị của các dòng nhiệt nhận được từ các phương trình (2.26), (2.30), (2.31) ta nhận được:
(2.34) Ta tìm các giá trị chênh lệch nhiệt độ ở các giai đoạn khác nhau của quá trình truyền nhiệt và mức chênh lệch nhiệt độ chung: (2.35a) (2.35b) (2.35c) (2.36) Hoặc: q = K(Tkh - TW), (2.37) ở đây: là hệ số truyền nhiệt chung từ khí đến nước làm mát. Còn giá trị: là sức cản nhiệt của sự truyền nhiệt. Ta xác đị nh nhiệt độ ở bề mặ t vách từ phía khí từ (2.35b) và (2.35a) ta có: (3-38) ở đây: q = K1(Tv1 - TW) (2.39) (2.40) Phương trình nhận được (2.39) ta cân bằng với (2.34) ta có: (2.41) Sau khi biến đổ i ta nhận đ ượ c phươ ng trình nhi ệt độ củ a vách t ừ phía khí: (2.42)