Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Образование токсичных компонентов в отработавших газах и износ деталей цилиндро - поршневой группы в условиях эксплуатации 6
1.1. Образование токсичных компонентов отработавших газов в условиях эксплуатации 6
1.2. Износ деталей цилиндро - поршневой группы в условиях эксплуатации 18
1.2.1 Износ деталей цилиндро-поршневой группы 18
1.2.2 Оценка ресурса дизелей с учетом условий эксплуатации 37
1.2.3 Метод оценки интенсивности износа деталей ЦПГ 38
1.3. Качественная связь токсичности ОГ дизеля и износа деталей цилиндро-поршневой группы 44
Глава 2. Анализ метцдик ускоренных испытаний двигателей на надежность 54
2.1. Анализ выполненных работ по созданию методик ускоренных испытаний 57
2.2. Внешние факторы, подлежащие воспроизведению при ускоренных испытаниях и способы их воспроизведения 60
2.3. Разработка режимов ускоренных испытаний и формирование блока режимов ускоренных испытаний 67
Глава 3. Разработка методик исследования изменения токсичности дизеля при ускоренных испытаниях на износостойкость 84
3.1. Разработка методики испытаний 85
Глава 4. Исследование изменения токсичности дизеля при ускоренных испытаниях на износостойкость 99
Выводы 110
Список использованной литературы 113
- Износ деталей цилиндро - поршневой группы в условиях эксплуатации
- Качественная связь токсичности ОГ дизеля и износа деталей цилиндро-поршневой группы
- Разработка режимов ускоренных испытаний и формирование блока режимов ускоренных испытаний
- Исследование изменения токсичности дизеля при ускоренных испытаниях на износостойкость
Введение к работе
Атмосферный воздух загрязняется токсичными веществами из различных источников. К этим веществам можно отнести газы и аэрозоли, образующиеся в антропогенных (связанных с человеческой деятельностью) и естественных (природных) источниках. По оценкам специалистов США, Японии, Германии и Швеции, транспортные и стационарные источники выбра-[ сывают примерно равные по массе количества токсичных веществ.
Автотракторные двигатели внутреннего сгорания, примерно 30 % которых являются дизелями, загрязняют атмосферу вредными веществами, вы-I брасываемыми с отработавшими (ОГ) и картерными газами (КГ). При этом ОГ двигателей внутреннего сгорания являются одним из основных источников загрязнения атмосферы. Масштабы вредного воздействия ОГ в настоящее время вызывают серьезное беспокойство во всем мире и борьба с этим воздействием становится транснациональной задачей.
Мировой выпуск автомобилей в 1997 г. составил около 50 млн единиц, а мировой парк автомобилей по разным оценкам колеблется от 600 до 800 млн единиц и имеет устойчивую тенденцию к росту (т.е. далек от предела насыщения). В этих условиях основную массу автотракторных двигателей составляют двигатели, находящиеся в эксплуатации 6-8 лет и имеющие значительный износ деталей цилиндро-поршневои группы, что в свою очередь ухудшает показатели токсичности, которые могут служить диогностическим параметром износа.
Однако влияние износа деталей цилиндро-поршневой группы на токсичность ОГ и КГ дизелей является еще малоизученным, а опубликованные материалы противоречивы.
Поэтому целью данной диссертации явилось изучение влияния износа деталей цилиндро-поршневой группы на токсичность отработавших и кар-терных газов. В качестве объекта для испытаний был выбран многоцелевой дизель А-41.
Поскольку износ деталей цилиндро-поршневой группы, находящейся в наиболее тяжелых условиях работы, зависит от эксплуатационных режимов работы дизеля, то в данной диссертации, наряду с вопросами образования токсичных компонентов в ОГ дизеля, рассмотрены также вопросы влияния эксплуатационных режимов на изнашивание деталей цилиндро-поршневой группы.
Износ деталей цилиндро - поршневой группы в условиях эксплуатации
Износ деталей цилиндро - поршневой группы Межремонтные сроки практически для всех типов ДВС в подавляющем большинстве случаев определяются интенсивностью изнашивания деталей цилиндро-поршневой группы, находящейся в наиболее тяжелых условиях работы, точнее верхнего пояса гильзы цилиндра, уплотнительных колец и канавок под кольца в головке поршня. Рассмотрим характер изнашивания этих элементов ЦПГ в зависимости от условий эксплуатации.
В общем случае интенсивность изнашивания деталей ДВС определяется влиянием большого количества самых разнообразных факторов: конструктивными и технологическими особенностями их изготовления, материалами и условиями смазки трущихся пар, типом топлива и масла, характером приложения и значениями силовых нагрузок, относительной скоростью и равномерностью движения сопряженных элементов, температурным состоянием трущихся поверхностей, запыленностью воздуха и др.
Для определения скорости износа деталей в определенных условиях эксплуатации необходимо получить зависимость показателя износа и (например массы снятого с поверхности трения материала, изменения геометрических размеров, массы деталей и т.п.) от времени. Такую зависимость, построенную по результатам измерений, называют линией износа (штриховая линия на рис. 4 . Эту линию заменяют осредняющей прямой (сплошная линия). Средняя скорость износа vma, мкм/ч или мг/ч, при данных условиях эксплуатации будет характеризоваться тангенсом угла ее наклона tg а. На рис. 4. [9], показана интенсивность износа первого угшотнительного кольца судовых дизелей серии NVD в зависимости от условий эксплуатации, которые являются определяющими для данного вида двигателей, сходных по конструкции, технологии изготовления, типу топлива и смазочных материалов.
Значительное влияние на скорость износа деталей оказывает характер (динамичность) изменения режимов, что видно из рис. 5. где приведены данные по износу и деталей двигателей автобусов ЛАЗ-695Е с механической и ЛАЗ-695Ж с гидродинамической коробками передач [9]. Автобусы работали на одном маршруте перевозки пассажиров в черте города и имели одинаковый пробег s. Менее резкие изменения нагрузки и частоты вращения при гидродинамической коробке передач способствовали уменьшению износа двигателя в 2,4 раза. Рассмотрим характер и степень влияния отдельных факторов на интенсивность износа деталей ЦПГ двигателей внутреннего сгорания. По мере загружения двигателя при работе его по нагрузочной характеристике интенсивность износа деталей ЦПГ возрастает. Наибольший износ наблюдается в верхнем поясе цилиндра, и именно он во многих случаях определяет межремонтные сроки. В этом месте, как правило, происходит трение уплотнительных колец о зеркало цилиндра в условиях граничной смазки. На рис. 6, а показан характер влияния в этих условиях постоянного удельного давления р на износ чугуна. Как видно, при сравнительно малых значениях р (от 2 до 8 МПа) интенсивность износа возрастает в относительно малой степени (на 50-60 %). Наблюдается близкая к линейной зависимость. Дальнейшее повышение р до 10 МПа приводит к резкому увеличению и (в 3,5 раза), что вполне объяснимо в условиях граничной смазки [9]. Аналогичные результаты были получены при исследовании влияния нагрузочного режима на износ серых чугунов при трении их по алюминиевому сплаву АК-4 (испытания проводились при скорости 14,5 м/с). Отсюда следует, что давление при трении является одним из главных факторов, определяющих износ деталей.
На интенсивность износа деталей ЦПГ значительное влияние оказывает максимальное давление pz. В качестве примера на рис 6, б приведена зависимость tg a = f(pz) для уплотнительных колец многооборотного дизеля. Рост pz на 67 % в данном случае привел к увеличению скорости износа колец на 35-40 %. Следует отметить, что в «чистом» виде эту зависимость на двигателе получить невозможно, так как изменение pz будет сопровождаться изменением ряда других показателей рабочего процесса. В отдельных случаях может оказаться превалирующим противоположное их влияния. Это относится и к оценке воздействия на изнашивание деталей жесткости рабочего процесса. Данные, приведенные на рис. 6, в позволяют лишь примерно оценить эту зависимость (увеличение dp/dq вдвое вызвало рост tg а на 50%).
С повышением нагрузки при работе двигателя по нагрузочной характеристике в значительной степени увеличиваются газовые нагрузки (pz и рср) на пары трения ЦПГ, температуру трущихся поверхностей. Изменяются условия смазки (температура масла, зазоры за счет деформации деталей под воздействием возрастающих тепловых и газовых нагрузок). Все это приводит к интенсификации изнашивания деталей. На рис.7 показан характер изменения tg а по мере роста ре при работе многооборотных двигателей по нагрузочной характеристике [9]. Как видно, общий вид зависимостей во всех случаях практически одинаков. На интенсивность износа деталей оказывают влияние внешние факторы: регулировка и характер топливоподачи, интенсивность охлаждения двигателей и т.д. На рис. 8 показан характер воздействия давления в начале подачи топлива и угла опережения подачи топлива на ряд показателей рабочего процесса и интенсивность износа верхнего уплотнительного кольца [13]. Повышение давления в начале подачи топлива обеспечивает лучший распыл и смесеобразование, процесс сгорания нормализуется, меньшая часть топлива сгорает на линии расширения (рис. 8 а).
Качественная связь токсичности ОГ дизеля и износа деталей цилиндро-поршневой группы
Очевидно, что износ деталей цилиндро-поршневой группы влияет на намику изменения показателей токсичности по мере выработки ресурса зеля . Однако, несмотря на это, вопрос о влиянии износа ЦПГ на показате-токсичности отработавших газов является малоизученным. Отдельные малочисленные исследования по этому вопросу выполнены по различным методикам и в различных условиях, что затрудняет их сравнительный анализ и не позволяет сделать достоверные выводы.
Обычно испытания на износостойкость, как правило, проводят в эксплуатационных условиях, во время эксплуатационных испытаний изделий (трактора, автомобиля и др.), на которые устанавливается дизель. Длительность этих испытаний устанавливается отраслевыми стандартами. Например, для тракторов длительность этих испытаний установлена 3000 моточасов. В течение эксплуатационных испытаний двигатель работает на переменных режимах, характер которых соответствует основным видам работ, выполняемых трактором. Учитывая то обстоятельство, что годовая загрузка трактора колеблется от 800 до 1300 моточасов в год, длительность эксплуатационных испытаний составляет 2-3 года, что существенно удорожает стоимость и значительно задерживает сроки внедрения новых изделий. Поэтому в настоящее время интенсивно разрабатываются ускоренные методы стендовых испытаний, позволяющие в 10-15 раз сократить длительность и упростить процеду у самих испытаний. При этом применяют различные способы ускорения из-ашивания, однако сопоставимость длительности стендовых ускоренных ис-гганий и наработки ресурса в эксплуатационных условиях не всегда бывает орректна.
Поэтому при анализе результатов испытаний, оценки износостойкости и влияния износа деталей ЦПГ на показатели двигателя всегда необходимо обращать внимание на методику испытаний, а в некоторых случаях и разрабатывать новые методики. Изучению влияния износов деталей ЦПГ на токсичность дизелей не уделялось достаточного внимания, т.к. легковые автомобили оснащались преимущественно бензиновыми двигателями, так же как и самые массовые в России грузовые автомобили ЗИЛ и ГАЗ. В основном, при исследовании токсичности ОГ двигателей в эксплуатации рассматривали влияние регулировочных параметров двигателя или качества изготовления отдельных узлов и агрегатов на содержание токсичных компонентов в ОГ.
Исследование изменения содержания токсичных компонентов в зависимости от выработки ресурса карбюраторного двигателя грузового автомобиля при ускоренных испытаниях было проведено в НАМИ [8 ]. Результаты испытаний представлены в таблице 4. Несмотря на отсутствие в публикации сведений о методике проведения [испытаний и методики оценки ресурса, что затрудняет оценку результата, [можно отметить, что по мере выработки ресурса на данном типе двигателя [содержание токсичных компонентов отработавших газов практически не изменилось, в то же время происходит резкое увеличение расхода картерных [ газов (до 50 %) и увеличение в нем содержания всех токсичных компонентов.
Качественную связь между износом деталей ЦПГ и токсичностью отработавших и картерных газов в дизеле можно объяснить следующей феноменологической моделью (рис. 16.) Ресурс дизеля определяется темпом износа деталей цилиндро-поршневой группы, который в свою очередь определяется эксплуатационными режимами работы дизеля. Износ деталей ЦПГ приводит прежде всего к потере герметичности объема цилиндра, поэтому процесс сжатия в дизеле сопровождается большими утечками свежего заряда через неплотности поршневых колец. Величину утечек рабочего тела в процессе сжатия можно оценить коэффициентом сохранения заряда = mc/mu где тс и ти массы заряда соответственно в ВМТ и в момент закрытия впускного клапана.
Коэффициент сохранения заряда обычно увеличивается с увеличением частоты вращения коленчатого вала и для обкатанного дизеля составляет 0,68-0,7 на пусковых оборотах и 0,95-0,98 на номинальных. Износ поршневых колец может существенно повлиять на величину утечек заряда. При износе колец, приближающемся к предельному, коэффициент охранения заряда на номинальных оборотах дизеля уменьшается до 0,9-0,92, что приводит к потере свежего заряда в цилиндре, и, как следствие, уменьшению коэффициента избытка воздуха а на 8-10 %. Кроме этого, утечка свежего заряда приводит к уменьшению реальной степени сжатия, и, как следствие, к уменьшению температуры рабочего тела в момент начала подачи топлива и увеличению периода задержки самовоспламенения.
В процессе сгорания и расширения неплотности в поршневых кольцах приводят к увеличенному прорыву рабочих газов в картер дизеля, повышая их давление и увеличивая их поступление в цилиндр дизеля в процессе хода всасывания. Это в свою очередь приводит к увеличению коэффициента остаточных газов, увеличению длительности сгорания и уменьшению максимальных температур цикла. Таким образом очевидно, что нарушение герметичности уплотнений деталей цилиндро-поршневой группы приводит к увеличению количества остаточных газов в цилиндре дизеля, уменьшению коэффициента избытка воздуха, уменьшению максимальных температур цикла и растягиванию по углу поворота процесса сгорания.
Разработка режимов ускоренных испытаний и формирование блока режимов ускоренных испытаний
Поставленная задача может быть сформулирована следующем образом: необходимо разработать возможно более простой способ формирования режимов ускоренных испытаний (РУИ) двигателя, который обеспечивал бы: Воспроизведение для каждой модели двигателей характеристик механических нагрузок, а также запыленности воздуха; Отражения в них влияния типов машин, видов выполняемых ими работ и природно-климатических условий в которых они используются; Возможность воспроизведения этих режимов и условий на современных испытательных установках.
При решении этой задачи необходимо учитывать опыт уже применяемых способов формирования режимов и условий испытаний. За основу формирования РУИ целесообразно принять рекомендацию об использовании стандартизированных элементов. Под стандартизированными элементами будем понимать модули М и типизированные распределения загрузок ТРЗ. Модули - это самостоятельные элементы РУИ, унифицированные для испытаний всех (или хотя бы ряда) типов двигателей типизированные распределения загрузок содержать только типовую основу, на базе которой можно формировать блоки, характеризующие те или иные элементы РУИ. Конкретные особенности испытаний и конструкции двигателей, которые положено учитывать при формировании РУИ, должны отражаться с помощью соответствующих поправочных коэффициентов ПК. При проведении ускоренных испытаний двигателей на надежность необходимо воспроизводить большое количество элементов сложных характеристик выходных внешних факторов, значения которых зависят от того, для каких типов машин, видов работ, климатических и почвенно-дорожных условий надо определять значения показателей надежности и износостойкости двигателя.
Для воспроизведения каждого выходного фактора необходимо использовать сочетания модулей, блоков, созданных на базе типизированных распределений загрузок и поправочных коэффициентов, а для воспроизведения характеристик всех выходных факторов - серийно-блочно-модульный способ формирования РУИ. Продолжительность каждого испытаний или число повторений того или иного элемента должно определяться в каждом отдельном случае в зависимости от поставленной задачи. Перейдем к рассмотрению способов воспроизведения характеристик отдельных факторов. Запыленность воздуха, поступающего в воздухоочистители двигателей, является выходным внешним фактором, имеющим наиболее простую характеристику. При разработке модуля, определяющего дисперсный и минералогический состав пыли Men, целесообразно использовать кварцевую пыль с удельной поверхностью F=560 м2/кг. Эта пыль уже давно и широко используется при испытаниях воздухоочистителей тракторных, автомобильных и других ДВС, а также при проведении износных испытаний деталей двигателей. Испытания показывают , что пыль данного состава хорошо воспроизводит воздействие естественных пылей на изнашивание деталей двигателя. Количество. пыли в воздухе, окружающем машину, зависит в первую очередь от типа почвы и дороги, вида выполняемых работ и природно- климатической зоны ( главным образом от количества выпадающих осадков). В каждой типовой зоне запыленность воздуха измеряется в широких пределах в зависимости от разного сочетания указанных факторов. Имея данные о функции распределения вероятностей разных уровней запыленности воздуха в каждой природно- климатической зоне при выполнении і- го вида работ на j- ом типе почв F( зі j), можно посчитать у - процентную запыленность воздуха Зу, характерную для данного типа машины, при использовании его в данной зоне
Исследование изменения токсичности дизеля при ускоренных испытаниях на износостойкость
Зависимости токсичности отработавших и картерных газов двигателя, оцениваемой единичными и комплексными показателями от его наработки при ускоренных испытаниях на износ, показаны на рис. 26 - 29 и приведены в таблице 6. Анализ химического состава проб отработавших газов при работе двигателя на корректорной ветви регуляторной характеристики (рис. 25.) показал отсутствие четкой закономерности изменении концентраций оксидов азота и углеводородов от мощности и поэтому результаты их на график не нанесены. Аналогичные результаты были получены Смайлисом . Значения концентраций сажи на корректорной ветви характеристики превышали верхний предел шкалы сажемера (1,4 мг/л) и эти данные также не приведены. Вследствие этого суммарная концентрация Wj; рассчитывалась по значениям СО, СН, NOx и С, полученных только на регуляторной ветви характеристики. Регуляторные характеристики токсичности двигателя на всех контрольных этапах испытаний аналогичны, и они согласуются с известными теоретическими положениями, объясняющими зависимость содержания токсичных веществ от режимов работы. Увеличение цикловой подачи топлива, с увеличением нагрузки от холостого хода до режима номинальной мощности, и некоторое снижение коэффициента наполнения приводят к уменьшению коэффициента избытка воздуха и, соответственно, к повышению концентраций в отработавших газах окиси углерода и углеводородов. Форсировка двигателя ведет к резкому ухудшению процесса сгорания, которое характеризуется значительным повышением концентраций в отработавших газах окиси углерода и сажи. Концентрация окислов азота в отработавших газах с увеличением нагрузки до 0,8-0,9Ne Том, возрастает, а при дальнейшем увеличении нагрузки - снижается, что обусловлено соответствующими изменениями максимальной температуры цикла и концентрации свободного кислорода. С увеличением нагрузки концентрация свободного кислорода в цилиндрах двигателя уменьшается, что должно вызвать уменьшение равновесной концентрации N0.
Однако, вследствие большего влияния на скорость образования N0 температуры, которая увеличивается с возрастанием нагрузки до 0,8-0,9Ne Ном, концентрация окислов азота в отработавших газах увеличивается. При дальнейшем увеличении нагрузки максимальная температура цикла стабилизируется, в кинетике реакции окисления азота начинает преобладать концентрационный фактор, и содержание окислов азота в отработавших газах снижается. Характер кривой Wj; обусловлен преобладающим влиянием кривой WNOX - вследствие больших значений концентраций окислов азота на регуляторной ветви характеристики, а также большого индекса токсичности KNOX =25. Кривые изменения токсичности WCO,WNOX И WC аналогичны для каждого контрольного этапа испытаний не только по характеру протекания, но и по пределам их значений, которые по мере наработки двигателя меняются незначительно. Концентрация углеводородов WCH, несколько снижаясь на втором этапе (100 моточасов), последовательно повышается на третьем (300 мч) и четвертом (500 мч) этапах испытаний, превышая начальный уровень приблизительно в 5 раз. После замены малосъемных колец (вследствие повышения расхода масла на угар на четвертом этапе) концентрация углеводородов снизилась до уровня третьего этапа и к последнему, пятому этапу (700 мч) вновь несколько повысилась. Увеличение концентрации углеводородов WCH В отработавших газах, вследствие малого индекса токсичности (Ксн1=0567), не повлияло фактически на уровень суммарной концентрации Wj, более того - она несколько снизилась на этом этапе испытаний, так как уменьшилась, хотя и незначительно, концентрация окислов азота WNOX, имеющих больший индекс токсичности. Результаты, полученные при снятии регуляторных характеристик, хорошо согласуются с результатами, полученными на номинальном режиме работы двигателя на рис. 26 а. Здесь же приведены графики зависимости от наработки двигателя показателей токсичности картерных газов W;k и W k, а также расхода картерных газов Q и относительного расхода масла на угар Сгм.уг, рис. 26 б. Как видно из этих графиков в процессе ускоренного износа двигателя: в отработавших газах к четвертому контрольному этапу испытаний (500 мч) концентрации окиси углерода и углеводородов увеличились, а концентрация окислов азота снизилась; после замены маслосъемных колец значения концентраций этих веществ вернулись к уровню предыдущего третьего этапа; к пятому, заключительному этапу они вновь почти достигают уровня четвертого этапа (до замены маслосъемных колец); концентрация сажи на всех этапах испытаний остается постоянной; результирующий показатель -суммарная концентрация W , практически не меняется и лежит в пределах 95-125 мг/л, где нижний предел соответствует испытаниям непосредственно перед заменой маслосъемных колец; в картерных газах характер изменения концентраций СН, СО и NOx одинаков, и их значения увеличиваются к четвертому этапу испытаний соответственно в 20, 8 и 4 раза; после замены маслосъемных колец концентрации этих веществ резко снижаются, но остаются выше начального уровня в 6, 3 и 2 раза; суммарная концентрация Wj изменяется в пределах 7-32 мг/л, повышаясь к четвертому этапу испытаний относительно начального уровня в 4,5 раза и имеет общую тенденцию к повышению с увеличением наработки двигателя.
