Khai thác động cơ đốt trong tàu quân sự - Chương 8 docx

Các đặc điểm làm mát của động cơ đốt trong - Làm mát ĐCĐT dùng để duy trì nhiệt độ các chi tiết của nó ở mức độ xác định bằng: + Các điều kiện bôi trơn các bề mặt làm việc của các chi t

Chương 8 LÀM MÁT ĐCĐT TÀU QUÂN SỰ, ĐẶC ĐIỂM KHAI THÁC HỆ THỐNG

LÀM MÁT 8.1 Các đặc điểm làm mát của động cơ đốt trong

- Làm mát ĐCĐT dùng để duy trì nhiệt độ các chi tiết của nó ở mức độ xác định bằng:

+ Các điều kiện bôi trơn các bề mặt làm việc của các chi tiết;

+ Độ bền nhiệt của các vật liệu được sử dụng (nắp xi lanh, đáy pít tông );

+ Các điều kiện tối ưu cho cho diễn biến quá trình công tác;

+ Độ mài mòn nhỏ nhất, và bằng sự phá hủy của các chi tiết do tác dụng ăn mòn điện hóa và ăn mòn xâm thực

- Khi không có làm mát, nhiệt độ ĐCĐT làm việc tăng cao tới mức trước hết đốt cháy dầu trên các vách pít tông và ống xy lanh và ĐCĐT không thể làm việc (xảy

ra xây sát và kẹt pít tông trong các xy lanh)

Hình 8.1 Sự phụ thuộc của độ toả nhiệt vào tải của động cơ

ge (g/cvh)

- Nhiệt độ các bề mặt làm việc của các chi tiết không được quá giới hạn mà ở

đó dầu còn giữ được tính chất bôi trơn của nó Với pít tông, nhiệt độ này trong khu vực xéc măng trên cùng cần phải không cao hơn 2200  2450C, đối với xy lanh là 1800

 1900 Để giảm độ mòn do ăn mòn, nhiệt độ bề mặt làm việc của ống lót xy lanh cần phải cao hơn nhiệt độ điểm sương của hơi nước Nhiệt độ ống lót xy lanh cần bảo đảm sự mài mòn nhỏ nhất của nó

- Nhiệt độ lớn nhất đối với đáy pít

tông, đầu xy lanh, các van và các cánh tua

lanh và tua bin máy nén, người ta sử dụng

nước ngọt và nước ngoài mạn, đối với pít

tông - dầu hay nước ngọt, đối với vòi phun

bằng nhiên liệu, đối với các ổ và các bộ

phận ma sát khác - bằng dầu

- Số lượng nhiệt được dẫn đi với chất

lỏng làm mát khi ĐCĐT làm việc ở chế độ

định mức phụ thuộc vào một loạt các yếu tố

kiểu và kết cấu ĐCĐT, mức cường hóa, chế

độ nhiệt độ làm mát phải duy trì, sự thay đổi

các điều kiện ngoài trời (hình 8.1)

Các kết quả thử nghiệm động cơ 40? được giới thiệu trên hình 8.2 chỉ ra rằng khi làm việc theo đặc tính chân vịt, số lượng tuyệt đối của nhiệt được dẫn bằng nước

QW (Kcal/h) và bằng dầu QM (Kcal/h), khi giảm số vòng quay thì bị giảm, còn độ dẫn nhiệt riêng qW (Kcal/cv.h) thì tăng Nhiệt lượng được dẫn bằng khí xả Q? (Kcal/h) và q? (Kcal/cv.h) khi ĐCĐT làm việc theo đặc tính chân vịt bị giảm khi giảm số vòng quay

Nhiệt lượng truyền cho nước QW (Kcal/h) có thể xác định được khi thí nghiệm ĐCĐT từ các cân bằng nhiệt đã cho hoặc tính theo các công thức (8.1)

Hình 8.2 Sự phụ thuộc của

độ toả nhiệt vào tải của động

cơ (a) và hệ số dư lượng không khí (b)

qw (Kcal/cvh)

Qw = ageNeHu = GwCw(tw1-tw2) = GwCwt (8.1)

ở đây:

a- Độ toả nhiệt tương đối vào nước ở chế độ định mức, a bằng 20% - 30% đối với động cơ chậm tốc, 15% - 20% đối với động cơ cao tốc (các giá trị nhỏ cho các đIêzen tăng áp);

ge- suất tiêu hao nhiên liệu riêng phần, kg/ml.h;

Hu- nhiệt trị thấp của nhiên liệu;

Gw- lưu lượng nước qua điêzen, kg/h;

Ne- Công suất điêzen, cv;

Cw- nhiệt dung riêng của nước, kcal/kg.độ;

tw1 tw2- nhiệt độ nước vào và ra khỏi điêzen

Công thức (8.1) chỉ ra rằng, có thể truyền cùng một số lượng nhiệt khi các giá trị

GW và?tW khác nhau Tốt hơn là làm mát ĐCĐT bằng số lượng lớn nước ấm khi giữ

8.2 Các phương pháp làm mát động cơ đốt trong và đánh giá so sánh chúng

Trong các ĐCĐT tàu quân sự người ta sử dụng các hệ thống làm mát dùng chất lỏng kiểu hở và kiểu kín

8.2.1 Kiểu hệ thống hở

Kiểu hệ thống hở: động cơ được làm mát bằng nước biển ngoài mạn có hàm lượng muối lớn Điều đó không cho khả năng chế độ nhiệt độ tối ưu để làm mát ĐCĐT Nhiệt độ nước ra khỏi ĐCĐT không cao quá 45 - 550C để tránh đóng cặn muối mặn trên vách các chi tiết được làm mát Nhiệt độ nước mạn bị thay đổi trong

giới hạn rộng (từ +2 đến +300) phụ thuộc vào thời gian trong năm và vùng biển, điều này dẫn đến độ sụt nhiệt độ lớn trong các vách các chi tiết tới 400C

Nhiệt độ thấp của vách xy lanh dẫn đến sự ngưng tụ hơi nước, các sản phẩm cháy và đưa đến tạo ra các a xit gây ăn mòn bề mặt của các xy lanh, các vách xy lanh

và bloc phía khoang nước làm mát chịu phá hủy mạnh do tác dụng ăn mòn điện hóa

8.2.2 Kiểu hệ thống kín

Trong thời gian hiện nay, để làm mát các ĐCĐT tàu quân sự, các hệ thống kín (hai vòng) là phổ biến hơn Trong các hệ thống này, ĐCĐT được làm mát bằng nước ngọt tuần hoàn trong vòng kín Điều này cho phép duy trì nhiệt độ tối ưu làm mát Có thể duy trì nhiệt độ nước ngọt ra khỏi xy lanh trong giới hạn 75 - 900C khi chênh lệch nhiệt độ tW không lớn hơn 150C

Nâng cao nhiệt độ cho phép giảm tổn thất nhiệt vào nước làm mát, nâng cao tính kinh tế của ĐCĐT và giảm độ mòn các xy lanh Giảm chênh lệch nhiệt độ làm giảm các ứng suất nhiệt trong các chi tiết xy lanh Sự tồn tại hai vòng trong hệ thống làm mát ĐCĐT cho phép nạp vào nước ngọt các chất phụ gia đặc biệt để bảo vệ các bề mặt vách ống xy lanh từ phía khoang làm mát khỏi tác dụng của ăn mòn xâm thực và

ăn mòn điện hóa

8.3 ảnh hưởng của chế độ làm mát đến công suất và tính kinh tế của động cơ

Chế độ làm mát ĐCĐT được đặc trưng bằng các nhiệt độ nước vào tW1 (0C) và ra khỏi ĐCĐT tW2 (0C), hiệu số?tW = tW2 - tW1 (0C) và áp suất nước trong hệ thống làm mát PW (kG/cm2)

ảnh hưởng của chế độ làm mát đến công suất Ne(cv), tính kinh tế ge(kg/cv.h), ứng suất nhiệt, điều kiện bôi trơn và độ mòn các chi tiết được xác định bằng sự thay đổi nhiệt độ các vách xy lanh và pít tông khi thay đổi nhiệt độ nước làm mát

8.3.1 ảnh hưởng của nhiệt độ nước ra khỏi động cơ đốt trong t W2 đến sự tỏa nhiệt của nước Q W

Bằng các thí nghiệm, người ta đã xác lập rằng với việc làm tăng nhiệt độ nước ra khỏi ĐCĐT tW2 (0C), sự tỏa nhiệt vào nước QW (Kcal) bị giảm Sự thay đổi nhiệt lượng truyền vào nước khi tải trọng động cơ không đổi phụ thuộc vào nhiệt độ nước tW2 diễn ra theo quy luật tuyến tính (hình 8.3) Cứ mỗi 100C chênh lệch nhiệt độ nước làm mát từ 600C thì lượng nhiệt truyền vào nước bị thay đổi 4 - 5%

Q.10-4(Kcal/h)

8.3.2 ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát t W2 đến nhiệt độ các chi tiết của động

cơ đốt trong

Quy luật thay đổi nhiệt độ trên bề mặt pít tông tpt và ống lát xy lanh txl phụ thuộc vào tW2 cũng có dạng tuyến tính (hình 8.4) Nhiệt độ các chi tiết tăng khi tăng nhiệt độ nước làm mát Đối với ĐCĐT 4 kỳ, sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt ống xy lanh:

?txl  0,8.?tW2, 0C (8.2)

ở đây: ?txl - gia số nhiệt độ trên bề mặt ống lót xy lanh;

?tW2 - gia số nhiệt độ nước làm mát

Đối với các động cơ 2 kỳ, sự thay đổi nhiệt độ vách các chi tiết khác so với động

cơ 4 kỳ, bởi vì ở đây có ảnh hưởng của không khí quét Nhưng quan hệ (8.2) với độ chính xác đủ có thể sử dụng để đánh giá gần đúng sự thay đổi nhiệt độ của vách ống lót xy lanh của các ĐCĐT hai kỳ

8.3.3 ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến các thông số quá trình công tác của động cơ đốt trong

ảnh hưởng của nhiệt độ nước ra khỏi ĐCĐT tW2 tới các thông số của quá trình công tác được chỉ ra trên hình (8.5)

Nhiệt độ vách xy lanh tăng khi tăng tW2 Tăng nhiệt độ vách xy lanh gây ra:

1, Nâng cao nhiệt độ sấy nóng không khí bởi vách xy lanh, tăng nhiệt độ bắt đầu nén Ta và theo nguyên tắc làm giảm hệ số nạp:

Giảm?H dẫn đến giảm lượng không khí nạp chu trình:

Pz, tốc độ tăng áp suất và mức tăng áp suất = 

3 Nâng cao nhiệt độ khí thải t?,0C do tăng nhiệt độ đầu quá trình nén Ta,0K, nhiệt

độ cực đại của chu trình Tz,0K và lượng nhiệt được dẫn với khí thải Q?

4 Tăng hiệu suất cơ khí của ĐCĐT?M do giảm tổn thất do ma sát

Hỡnh 8.4 Sửù phú thuoọc vaứo t w2 cuỷa caực thõng soỏ cuỷa quaự trỡnh cõng taực ủoọng cụ?15/18

(a)- Nhiệt độ pít tơng;

(b)- nhiệt độ của nắp máy;

(c)- Nhiệt độ của ống lĩt xy lanh;

(d)- Độ giảm nhiệt độ theo chiều dày vách xy lanh

 2,35 2,30

M 0,82 0,80 0,78

50 60 70 80 90 100 n (v/ph) Hình 8.5 Sự phụ thuộc của các thơng số quá trình

cơng tác động cơ ?15 /18 vào t w2

tr p

Kết quả các thí nghiệm chỉ ra, sự giảm đột ngột tổn thất công suất do ma sát xảy ra khi nâng cao nhiệt độ nước ra khỏi ĐCĐT đến 800C (hình 8.6) Mức giảm tổn thất công suất ma sát phụ thuộc vào các đặc điểm kết cấu của động cơ, số vòng quay

và đặc tính nhiệt độ - độ nhớt của dầu bôi trơn Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ nhớt dầu chỉ ra trên hình 8.7

Khi nhiệt độ nước làm mát 80 - 900C, nhiệt độ bề mặt làm việc của ống lót xy lanh bằng 110 - 1150C, nhiệt độ trung bình của dầu trong khe hở giữa pít tông và ống lót 120 - 1250C, ở nhiệt độ này độ nhớt của dầu có trị số cực tiểu

Trong cặp “pít tông - xy lanh” ma sát độ nhớt có trị số đáng kể Lực ma sát Ppx giữa pít tông và xy lanh được xác định bằng:

Sự thay đổi giá trị khe hở hướng kính  giữa pít tông và xy lanh khi tăng nhiệt

độ nước làm mát phụ thuộc vào vật liệu chế tạo xy lanh và pít tông Khe hở có thể bị tăng chút ít nếu hệ số dãn nở dài của xy lanh và pít tông có trị số bằng nhau; hoặc là

bị giảm nếu hệ số dãn nở của vật liệu pít tông lớn hơn nhiều so với của xy lanh Khi F.Cm = const, lực ma sát Ppx = const thì n / đặc biệt bị giảm đột ngột khi nâng cao nhiệt độ và đạt giá trị cực tiểu ở tW2 = 800C, khi đó độ nhớt của dầu có trị số cực tiểu

Nếu tính rằng đến 70% tổn thất tộng cộng cho ma sát là để khắc phục ma sát giữa pít tông và ống lót xy lanh, thì việc nâng cao nhiệt độ nước làm mát làm tăng hiệu suất cơ khí?m là điều hiển nhiên

8.3.4 ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến các chỉ tiêu chỉ thị của động cơ đốt trong

Sự thay đổi hiệu suất chỉ thị?i, công suất Ni và suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi khi nâng cao nhiệt độ nước ra tW2 được xác định bằng sự tăng tương ứng phần nhiệt được sử dụng để nâng cao công chỉ thị và bằng sự giảm hệ số nạp?v Hầu hết các thí nghiệm ghi nhận các chỉ tiêu chỉ thị bị giảm chút ít khi tăng tW2

8.3.5 ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến công suất và tính kinh tế của động cơ đốt trong

Với việc nâng cao nhiệt độ nước ra

khỏi ĐCĐT tW2, hiệu suất cơ khí?M tăng

nhanh hơn sự thay đổi của hiệu suất chỉ

thị?i Vì vậy trong mọi trường hợp, tăng

tW2 gây ra tăng hiệu suất có ích?e = ? i.? M,

công suất có ích Ne = B.nđc .?e và

giảm suất tiêu hao nhiên liệu có ích

190

180

170

Nhưng việc tăng hiệu suất cơ khí khi

nâng cao nhiệt độ nước làm mát bị hạn chế

bởi tính ổn định nhiệt động của dầu bôi

Chế độ nhiệt độ tối ưu làm mát của các ĐCĐT tàu quân sự hiện đại từ quan điểm công suất có ích và tính kinh tế, như thấy rõ từ các tài liệu nghiên cứu và chỉ dẫn của nhà máy, có nhiệt độ giới hạn dưới 75 - 800C và nhiệt độ giới hạn trên 90 - 950C

Giới hạn trên được xác định không chỉ bằng xác suất sôi nước trong khoang làm mát của ĐCĐT, điều này có thể dẫn đến quá nóng cục bộ các chi tiết và làm hư hỏng chúng, mà trong nhiều trường hợp cả bằng sự tăng tiêu hao nhiên liệu

8.4 ảnh hưởng của chế độ làm mát đến ứng suất nhiệt của các chi tiết động cơ

ứng suất nhiệt của ĐCĐT được đánh giá bằng các nhiệt độ trên bề mặt các chi tiết và bằng độ giảm nhiệt độ trong các điểm đặc trưng của các chi tiết nhóm xy lanh - pít tông, xác định trực tiếp khả năng làm việc và độ tin cậy khai thác của các chi tiết này

Khi động cơ làm việc với tải trọng không đổi, khi nâng cao nhiệt độ nước làm mát, độ giảm nhiệt độ theo chiều dày các chi tiết nhóm xy lanh - pít tông ?t và áp suất cực đại của chu trình Pz được giảm (xem hình 8.4, 8.5), vì vậy ứng suất các chi tiết cũng được giảm Độ giảm nhiệt độ  t tăng và ứng suất bị tăng khi giảm đột ngột nhiệt độ nước làm mát và tăng tải trọng

Sự quá nóng cục bộ các chi tiết có thể xuất hiện khi giảm áp suất trong hệ thống làm mát hoặc thất thoát không khí Áp suất trong hệ thống làm mát được lựa chọn sao cho từ trong khoang làm mát của ĐCĐT hạn chế sự sôi của nước làm mát (khoảng 0, 4 đến hơn 1kG/cm2)

Nâng cao áp suất trong khoang làm mát của động cơ làm xê dịch thời điểm xuất hiện sự sôi bề mặt vào vùng nhiệt độ cao của nước làm mát và gây ra tăng hệ số tỏa

nhiệt từ vách xy lanh vào nước Giảm áp suất nước trong khoang làm mát ĐCĐT làm

xê dịch thời điểm xuất hiện sự sôi bề mặt vào vùng nhiệt độ thấp hơn Sự tạo thành hơi trong khoang làm mát của ĐCĐT đưa đến sự xuất hiện các túi hơi và sự quá nóng cục bộ vách xy lanh

8.5 ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến độ mòn các chi tiết động cơ

ảnh hưởng của nhiệt độ nước ra

khỏi động cơ tW2 đến độ mòn các chi

tiết được chỉ ra trên hình (8.9) Trên

hình vẽ thấy rằng nhiệt độ tối ưu của

nước làm mát mà ứng với nó các chi

tiết của ĐCĐT có tốc độ mài mòn nhỏ

nhất là 75 - 900C

Khi ĐCĐT làm việc, trên bề mặt

công tác của các ống xy lanh chịu sự ăn

mòn có cường độ phụ thuộc vào hai yếu

lanh bị ăn mòn do tác động của các chất

ăn mòn được tạo ra khi nhiên liệu cháy

Khi nhiên liệu cháy trong xy lanh

ĐCĐT tạo thành a xit cacbonic,

anhyđrit lưu huỳnh, hơi nước và một số

lượng nhỏ ôxít nitơ và

các anđêhit Phụ thuộc vào các điều

kiện tiếp xúc với các vách xy lanh của

2

1

các chất ăn mịn hĩa học cĩ trong thành

phần các sản phẩm cháy mà quan sát

thấy được sự ăn mịn (hĩa học) khí

cháy và ăn mịn điện hĩa

Khi nhiên liệu cháy tong xy lanh ĐCĐT tạo ra một số lượng lớn hơi nước nhất định Nếu trên các vách xy lanh đọng ít hơi nước thì đủ để xuất hiện ăn mịn điện hĩa mạnh, thậm chí khi hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu nhỏ

Điều kiện bắt buộc ngưng tụ hơi trên các xy lanh là nhiệt độ hơi nước bão hịa tH2O,0C chứa trong các sản phẩm cháy cao hơn nhiệt độ bề mặt xy lanh txl,0C

Nhiệt ủoọ ủieồm sửụng cuỷa hụi nửụực phú thuoọc vaứo soỏ lửụùng khõng khớ vaứo xy lanh vaứ haứm lửụùng hụi aồm cuỷa khõng khớ

Nhieọt ủoọ ủieồm sửụng cuỷa caực saỷn phaồm chaựy t đs, 0C ủửụùc nãng cao khi taờng taỷi tróng của ĐCĐT và phụ thuộc vào hệ số dư lượng khơng khí  và hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu (hình 8.10)

Như thấy trên hình vẽ, nhiệt độ cực đại của điểm sương của sản phẩm cháy t

đs,0C lớn hơn nhiều so với nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước tH2O,0C (S = 0%) và tăng khi tăng tải trọng ĐCĐT (khi giảm ) và hàm lượng lưu huỳnh S,% Tăng hàm

Hỡnh 8.12 Bieồu ủồ tráng thaựi cuỷa

hoĩn hụùp H 2 SO 4 vaứ H 2O

0 20 40 60 80 tw2,0C

S=1,5

Hỡnh 8.11 Aỷnh hửụỷng cuỷa haứm

lửụùng lửu huyứnh trong nhiẽn lieọu

vaứ nhieọt ủoọ nửụực laứm maựt ủeỏn

ủoọ moứn caực xeực maờng

S=0,0

lượng lưu huỳnh dẫn đến nâng cao đột ngột độ mòn các chi tiết nhóm xy lanh pít tông (hình 8.11)

Yếu tố chính xác định độ ăn mòn bề mặt công tác của xy lanh khi nhiệt độ thấp của vách (nước làm mát) là sự bám chất ngưng tụ a xít trên bề mặt ma sát Phần hơi của các sản phẩm cháy là hỗn hợp hai pha H2O + H2SO4, biểu đồ trạng thái khi áp suất 1kG/cm2 được giới thiệu trên hình 8.12

Đường cong ngưng tụ (a) trong khu vực nồng độ thấp của H2SO4 đi dốc lên trên Phải khẳng định rằng sự bám chất ngưng tụ xảy ra với nồng độ cao H2SO4 khi nồng độ thấp của H2O trong pha hơi Nếu trong pha hơi nồng độ là C’ thì ngưng tụ xảy ra khi nhiệt độ không đổi (quá trình theo đường đứt), còn trong chất lỏng được hình thành sẽ có 85% H2SO4 (điểm C)

Tốc độ ngưng tụ hơi H2SO4 bị tăng khi giảm nhiệt độ vách

Trong xy lanh ĐCĐT khi nhiệt độ vách tH20 < txl < tđs ăn mòn điện hóa diễn ra yếu vì chất ngưng tụ bám trên vách trong số lượng nhỏ là a xít lưu huỳnh nồng độ cao; khi txl > tH2O cường độ ăn mòn điện hóa bị tăng đột ngột vì trên bề mặt bám số lượng lớn chất ngưng tụ có nồng độ thấp có họat tính mạnh nhất

Điều kiện ngưng tụ trong xy lanh ĐCĐT phụ thuộc vào nhiệt độ và sự phân bố phần bề mặt xy lanh đối với hành trình pít tông Các phần với nhiệt độ thấp hơn

1100C chịu mòn nhiều hơn, còn trên các phần có nhiệt độ vượt quá 1400C, độ mòn ít hơn 2 đến 2, 5 lần Việc tăng đột ngột sự ăn mòn được quan sát thấy khi nhiệt độ vách sụt thấp hơn 140-1500C, trùng hợp với nhiệt độ cực đại của điểm sương của hơi nước trong xy lanh ĐCĐT Khi đó số lượng chất ngưng tụ bị tăng đột ngột và hoạt tính của

nó cũng tăng do giảm nồng độ Để ngăn ngừa sự ngưng tụ a xít, nhiệt độ bề mặt làm việc của ống lót xy lanh trên phần lớn hành trình pít tông cần phải khồng thấp hơn 190-2200C Phương pháp duy nhất nâng cao nhiệt độ bề mặt làm việc của ống lót xy lanh là nâng cao nhiệt độ nước làm mát Song nâng cao nhiệt độ ống lót xy lanh tới giới hạn nói trên lại không chấp nhận được theo các điều kiện duy trì sự bôi trơn

Cường độ ăn mòn điện hóa trong xy lanh có thể giảm được bằng cách tăng nhiệt độ nước làm mát trong các giới hạn mà nhiệt độ phần thân trên của ống lót xy lanh sẽ không thấp hơn 140-1500C Với ĐCĐT tăng áp điều này đạt được khi nhiệt độ nước ra khỏi ĐCĐT tW2 = 85-950C Sự quá độ lên nhiệt độ cao hơn (làm mát ở nhiệt

độ cao) bị giới hạn bởi tính ổn định nhiệt động của dầu, bởi độ bền nhiệt của vật liệu