Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблемы экономичности изношенных дизелей и постановка задач исследования 7
1.1 Влияние технического состояния деталей ЦПГ дизелей на расходы топлива и смазочного масла 7
1.2 Выбор метода увеличения экономичности дизелей с изношенными деталями ЦПГ 9
1.3 Выбор способа оценки технического состояния деталей ЦПГ в условиях эксплуатации 13
1.4 Выводы по обзору. Задачи исследования 17
2 Исследование закономерностей утечек газа из цилиндра двигателя в его картер 20
2.1 Математическая модель процесса утечки газа через неплотности деталей ЦПГ дизеля 20
2.2 Общее решение системы уравнений, описывающих процесс утечки газа из камеры сгорания в его картер 25
2.3 Анализ общего критериального уравнения применительно к случаю утечки газа из камеры сгорания дизеля в его картер 30
2.4 Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов 32
2.5 Обобщенная конкретная зависимость для давления сжатия 38
2.6 Обобщенная конкретная зависимость для определения утечки рабочего тела из камеры сгорания дизеля в его картер 46
2.7 Исследование закономерностей изменения сил трения в деталях ЦПГ 50
2.8 Основные результаты исследования.
Выводы 52
3 Исследование влияния вязкости смазочного масла на экономические показатели судового вихрекамерного дизеля 54
3.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов 54
3.2 Экспериментальное исследование влияния вязкости смазочного масла на экономические показатели вихрекамерного дизеля 58
3.3 Экспериментальное исследование влияния вязкостной присадки на основные показатели дизеля с изношенными деталями ЦПГ... 62
3.4 Экспериментальная оценка влияния водотоппивной эмульсии
на расходы топлива и смазочного масла в вихрекамерном двигателе 64
3.5 Основные результаты исследования. Выводы 67
4 Исследование влияния вязкости смазочного масла на экономические показатели судового дизеля с объемным смесеобразованием 69
4.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов 69
4.2 Анализ результатов эксперимента 72
4.3 Оценка экономической целесообразности увеличения вязкости смазочных масел при износе деталей ЦПГ 74
4.4 Основные результаты исследования Выводы 78
Заключение 80
Литература
- Выбор способа оценки технического состояния деталей ЦПГ в условиях эксплуатации
- Общее решение системы уравнений, описывающих процесс утечки газа из камеры сгорания в его картер
- Экспериментальное исследование влияния вязкости смазочного масла на экономические показатели вихрекамерного дизеля
- Оценка экономической целесообразности увеличения вязкости смазочных масел при износе деталей ЦПГ
Введение к работе
Вопросы экономии горюче-смазочных материалов всегда являлись одними из важнейших для нашей страны. В последнее время в связи с переходом к рыночным отношениям эта проблема стала еще более злободневной. Данная задача имеет весьма существенное значение и для речного флота, который потребляет большое количество различных нефтепродуктов.
В тоже самое время, как показано в работах [1, 24, 76 и др.], техническое состояние дизелей речного флота из-за недостатка финансирования ремонтных работ систематически ухудшается Это вызывает значительное увеличение расхода топлива и смазочных масел. Особо негативную роль при этом играют из-носы деталей ЦПГ. Естественно возникает задача найти и исследовать достаточно простой в осуществлении и эффективный в действии метод ослабления данного негативного явления. Решению этого вопроса и посвящена данная диссертационная работа.
Был проведен анализ методов, которые могут быть использованы для увеличения экономичности дизеля с изношенными деталями ЦПГ. В результате этой работы для дальнейшего исследования был выбран метод, основанный на применении более вязких масел. Этот способ весьма прост в реализации и достаточно эффективен, так как он дает возможность заметного сокращения расхода топлива и смазочного масла.
В качестве критерия оценки технического состояния деталей ЦПГ дизеля была выбрана величина утечки газа из камеры сгорания в картер и, как следствие этого, - давление сжатия.
Для исследования процесса утечки газов из камеры сгорания двигателя в его картер была разработана упрощенная математическая модель этого весьма сложного физического явления. При помощи теории подобия получено общее критериальное решение системы уравнений, описывающих исследуемый про-
5 цесс.
На базе двигателя 248,5/11 создана экспериментальная установка для исследования закономерностей изменения утечки газов из камеры сгорания двигателя в его картер и давления сжатия от определяющих параметров (вязкость масла, техническое состояние деталей ЦПГ, средняя скорость движения поршня).
На основе экспериментального материала получена конкретная критериальная зависимость для оценки утечки газов из камеры сгорания дизеля в его картер.
Также посредством использования опытных данных получена конкретная критериальная зависимость для определения давления сжатия.
Разработана экспериментальная установка и методика проведения опытов по изучению влияния вязкости смазочного масла на основные экономические показатели вихрекамерного двигателя, имеющего разную степень износа деталей ЦПГ.
Получена критериальная зависимость для определения утечки газов из камеры сгорания в картер работающего дизеля, имеющего разные степени износа деталей ЦПГ. Показано, что утечки газов из камеры сгорания в картер негативно влияют на основные экономические показатели дизеля (расходы топлива и масла).
Экспериментально доказано, что посредством увеличения вязкости смазочного масла в двигателе с изношенными деталями ЦПГ можно существенно сократить расходы топлива и особенно смазочного масла, В частности показана высокая эффективность применения вязкостной присадки Wynn's «Super Charge» к маслу.
На базе двигателя 6L160PNS создана экспериментальная установка для изучения влияния вязкости смазочного масла на экономические показатели ди-
зеля с объемным смесеобразованием. Для увеличения вязкости масла в данной серии опытов применена вязкостная присадка Wynn's «Super Charge».
Несмотря на удовлетворительное техническое состояние деталей ЦПГ дизеля 6L160PNS, посредством использования вязкостной присадки удалось снизить расходы топлива примерно на 3 % и масла - 25 %,
Получены зависимости для оценки экономического эффекта от увеличения вязкости смазочного масла в дизелях. Показано, что при изношенных деталях ЦПГ перевод дизелей на более вязкое масло экономически оправдан. Использование вязкостных присадок, ввиду их большой стоимости, требует экономического обоснования в каждом конкретном случае.
В соответствии с вышеизложенным, к защите представляется следующий материал:
Общее критериальное уравнение, определяющее процесс утечки газов из камеры сгорания дизеля в его картер.
Конкретные критериальное зависимости для определения утечки газов из камеры сгорания дизеля в его картер и давления сжатия. Данные формулы получены на основе опытных данных по прокрутке двигателя.
Критериальная зависимость для нахождения утечки газов у работающего двигателя,
Результаты изучения влияния утечек газа на основные экономические (расходы топлива и масла) показатели вихрекамерного дизеля 248,5/11.
Материалы по исследованию влияния вязкостной присадки Wynn's «Super Charge» на расходы топлива и масла в двигателе 248,5/11.
Результаты испытаний по оценке влияния вязкости масла на основные показатели двигателя 6L160PNS.
Экономическое обоснование применения метода повышения вязкости смазочного масла в дизелях с изношенными деталями ЦПГ.
Выбор способа оценки технического состояния деталей ЦПГ в условиях эксплуатации
В предыдущем параграфе было показано, что для практического использования рекомендаций по снижению расходов топлива и масла необходимо знать время, когда переводить дизель на более вязкое масло, а для этого надо оценить техническое состояние деталей его ЦПГ. При этом метод оценки степени износа этих деталей должен быть достаточно прост и доступен для эксплуатационника.
Как известно [5], в качестве критерия износа деталей ЦПГ (втулки цилин-дра-поршневые кольца-поршни) принимается либо абсолютная, либо относи тельная площади просвета между зеркалом втулки цилиндра и поршневыми кольцами, включая зазоры в замках поршневых колец. Относительная площадь просвета определяется зависимостью 400 f f =—F T % 0-2) где f - абсолютная площадь просвета, м2; D — диаметр цилиндра, м
Действенность названных выше параметров подтверждена многими работами [9, 10, 59, 80, 85, 87 и др.]. На рис. 1.1, заимствованном из работы [40], в качестве примера, приведены зависимости основных параметров рабочего процесса дизеля 6ЧСП18/22 от величины f0TH. Из рисунка видно, что величина f0TH является весьма показательным фактором, учитывающим износ деталей ІДПГ двигателя. Однако этот параметр не удобен для оценки технического состояния двигателя в эксплуатационных условиях, т.к. требует разборки дизеля и обмера трущихся деталей. Для этой цели более приемлемыми являются методы определения степени износа по косвенным показателям, таким как: - температура выпускных газов [75]; - расход смазочного масла на угар [7,13,37идр.]; - величина коэффициента избытка воздуха [88]; - давление сжатия [14]; - количество газов, прорвавшихся через детали ЦПГ в картер двигателя [14].
Проанализируем эти методы. Способ, основанный на измерении температуры выпускных газов дизелей (при заданной мощности и частоте вращения коленчатого вала) хорошо зарекомендовал себя на речном транспорте. Однако этот метод комплексно учитывает общее техническое состояние двигателя и движителя и выделить здесь износ деталей ЦПГ весьма проблематично.
Способ, основанный на измерении расхода смазочного масла, требует длительной работы двигателя для того, чтобы получить достоверные результаты по степени износа деталей ЦПГ. Это лишает метод оперативности. РГГ.ОУ "2 bt %.см. Р, юф t С сх, Возможность оценки технического состояния двигателя по величине коэффициента избытка воздуха вытекает из материалов рис. 1.1, где просматрива ется явная зависимость cx = /(f0TH). На этой основе профессор ЗА. Хандов [88] предложил следующую зависимость для определения минимально допус тимого значения а . : mm где CtH«M номинальное значение коэффициента избытка воздуха.
Однако определение коэффициента избытка воздуха на действующем двигателе требует проведения анализа выпускных газов, а эта операция в судовых условиях далеко не всегда осуществима. Возможность оценки износа деталей ЦПГ по давлению Рс сжатия также подтверждается данными рис. 1.1, а по количеству газов, выходящих из картера двигателя, - материалами рис. 1.2, заимствованного из работы [86]. Здесь 5-зазор между поршнем и цилиндровой втулкой.
Последние два метода, по нашему мнению, более доступны для экипажей судов. При этом для относительно крупных двигателей, имеющих индикаторные краны, больше подходит способ, основанный на изменении Рс, т.к. на теплоходах, как правило, есть индикаторы давления или максиметры.
Для высокооборотных двигателей, которые, как правило, не имеют индикаторных кранов, можно рекомендовать метод, основанный на определении количества газов, выходящих из картера двигателя. Создать для этого измерительное устройство по рекомендациям работы [14] не представляет труда.
Общее решение системы уравнений, описывающих процесс утечки газа из камеры сгорания в его картер
Опыты проводились в следующей последовательности. Установка включалась в работу и фиксировалась заданная частота вращения коленчатого вала двигателя. После стабилизации заданных температур охлаждающей воды (эти параметры устанавливались при помощи регулировки системы охлаждения) начинались замеры величины давления Рс сжатия, расхода картерного газа и его температуры.
Оценим погрешность основных измерений. Их три - давление Рс, частоты П вращения коленчатого вала и расход V картерного газа.
Как уже отмечалось ранее, давление Рс определялось при помощи дизель-тестера «Декарт-203». По данным работы [56], где была исследована погрешность этого прибора, среднее квадратичное отклонение в оценке давления составляет 0,52 кГ/см2, что вполне приемлемо для данного исследования.
Для дополнительного повышения точности в определении величины Рс, этот параметр в каждом опыте находился N раз и окончательный результат оп ределялся как среднее арифметическое из этих замеров. Согласно рекомендациям [84] величина N была принята равной пяти.
Ранее было сказано о том, что частота вращения коленчатого вала определялась штатным тахометром. При измерении данного параметра использовался также и дизель-тестер «Декарт-203». Погрешность последнего составляет + 1 мин" , что удовлетворяет требованиям, приведенным в [21].
Погрешность измерения количества воздуха приведена в табл. 2.2. Она также удовлетворяет требованиям нашего эксперимента.
Крутящий момент находился посредством весового устройства, которое снабжено циферблатом с равномерной шкалой измерения. Погрешность этого устройства равна ±0,05 кг-м. Относительная величина последней: Ам=— = 0,42%, м 11,9 что также не выходит за рамки допустимого.
В первой главе было показано, что одним из параметров, определяющих техническое состояние деталей Ці 11 дизеля, выбрано давление Рс сжатия. На основании результатов эксперимента проанализируем как изменяется этот параметр в зависимости от определяющих факторов (техническое состояние двигателя, вязкость масла, частота вращения коленчатого вала).
Опыты проводились [27] на установке, описанной в параграфе 2.2. При этом эксперименты были реализованы при использовании двух комплектов «поршень-цилиндровая втулка» (ht =0,20 мм; h2 =0,37 мм). Эксперименты проводились на четырех сортах масла: ИГП, МЮГг, MI6B2, МС-20. Анализируя эти материалы, можно сделать следующие выводы:
1. Увеличение вязкости смазочного масла заметно увеличивает компрессию двигателя. Этот эффект возрастает с повышением температуры масла.
2. Подтвержден результат падения давления сжатия при снилеє нии частоты вращения коленчатого вала. Это явление объясняется увеличением времени утечки заряда за цикл.
3. При низких температурах (см. рис. 2.5-2.9) зависимость Рс=/(п) имеет явный перелом. При температуре масла, равной 70 С, это явление исчезает.
Попытаемся обобщить полученные экспериментальные материалы. Из рис. 2.5-2.10 видно, что в общем случае зависимость Рс от частоты П вращения коленчатого вала весьма сложная. Поэтому для дальнейшего анализа ограничимся использованием опытных данных, полученных при температуре масла, равной 70 С. Эти материалы наиболее близки к реальным, а зависимости Рс = /(п) не имеют перелома (в рассматриваемом интервале величины п). К приведенным на рис. 2.10 данным добавим результаты аналогичных экспериментов, которые были проведены на маслах ИГП и МС-20. Vj, v2- коэффициент кинематической вязкости воздуха и смазочного масла; PN - нормальное давление поршня; %6 - критерий, определяющий силы инерции; Р2 [, Р0- давление газов с разных сторон поршня; [Si]- множество геометрических симплексов; т0, т0- время одного оборота вала двигателя при номинальной и долевой частоте вращения коленчатого вала. Проанализируем выражение (2.45) применительно к рассматриваемому случаю. Опыты проводились на одном двигателе с разными значениями цилин-дро-поршневого зазора h. Это дает нам основание заменить множество симплексов [Si] отношением h/D, где D - диаметр цилиндра.
Симплекс т0/то заменим соотношением Сш/Ст0 , где Ст- средняя скорость поршня на данном режиме; Ст0- средняя скорость поршня на номинальной частоте вращения коленчатого вала.
Описанные выше опыты проводились на одном двигателе в режиме прокрутки, при которой теряют смысл величины ТГ Р /Рф ,PN/P0 . Критерий Рей-нольдса, определяемый выражением заменим симплексами Cm/Cm0 , h/D, V2/V1.
Экспериментальное исследование влияния вязкости смазочного масла на экономические показатели вихрекамерного дизеля
Опыты проводились [34] на номинальном режиме работы двигателя (Ne =12 л.с; П = 1500 мин"1). При исследовании использовалось дизельное то пливо марки «Л» (ГОСТ 305-82) и три разновидности смазочного масла (M10r2; М14Б2, МС-20). Эксперименты были реализованы на всех трех комплектах «поршень-цилиндровая втулка» (см. рис. 2.3).
Результаты эксперимента приведены в табл. 3.1. Анализ этих материалов показывает, что с увеличением вязкости масла все исследуемые параметры (расходы топлива и масла, утечки газа из КС в картер) снижаются. Наоборот, с увеличением зазора между поршнем и цилиндровой втулкой эти величины имеют тенденцию к росту. Таким образом, еще раз показано, что имеется практическая возможность улучшить экономические показатели дизелей с изношенными деталями ЦПГ посредством применения более вязких масел.
Рассмотрим теперь закономерности изменения отдельных параметров. На рис. 3.2, в качестве примера, приведены зависимости расхода Gm масла на угар по времени т. Здесь точки, отмеченные цифрой 1, относятся к опытам, проведенным на масле М10Г2; цифрой 2 - на масле М14Б2; 3 - на масле МС-20.
Эксперименты были проведены при использовании новых цилиндровых втулок (вариант А-Б на рис. 2.3). В этом случае расход масла на угар наименьший, а относительная погрешность измерения расхода - наибольшая. Это объясняется тем, что абсолютная погрешность определения Gm практически во всех опытах примерно одинаковая, а угар масла с ростом h увеличивается. Из рис. 3.2 видно, что максимальная абсолютная погрешность расхода масла не превышает 20 г. Значит максимальная относительная погрешность, отнесенная к минимальному расходу масла в течении опыта (9 ч), будет равна AGra= — -7%, га 300 что вполне приемлемо для нашего случая. Относительная максимальная погрешность в других вариантах (h =0,24 мм, h -0,37 мм) будет еще меньше, т.к. абсолютная максимальная погрешность будет примерно такой-же, а угар масла- больше.
Попытаемся теперь установить зависимость для утечки газа в картер работающего дизеля [29]. В основу положим структуру формулы (2.51). Однако, учитывая, что рассматриваемый эксперимент проводился на номинальной частоте вращения коленчатого вала, последний член этой зависимости опустим из рассмотрения.
В результате обработки опытного материала, проведенной при помощи ЭВМ, была получена следующая критериальная формула: Vhoy (3.1) Здесь обозначения аналогичны принятым в зависимости (2.51).
Квадрат коэффициента корреляции здесь оказался равным R =0,911, то есть формула (3.1) вполне удовлетворительно описывает опытный материал. Справедлива она в следующих интервалах: h/h0 =0,54-1,00; v/v0 =4,8-11,4.
Сопоставляя зависимость (3.1) и выражение (2.51), нетрудно видеть, что они идентичны (для случая, когда П = пн = Const). Различие состоит только в величине коэффициента при симплексе (h/h0 j . Это можно объяснить двумя факторами: - во-первых, максимальное давление Р цикла заметно больше величины давления Рс.сжатия; - во-вторых, на действующем двигателе при прочих равных условиях температура масла на стенках цилиндровой втулки будет выше, чем в случае прокрутки а, следовательно, утечка будет больше.
Оценка экономической целесообразности увеличения вязкости смазочных масел при износе деталей ЦПГ
Рассмотрим первый случай. Определим экономический эффект Э от перевода двигателя на более вязкое масло за период т работы до его замены. Будем также считать, что величина х для сравниваемых вариантов (базовое и вязкое масло) одинакова. Тогда Эаф = 10-6Ag„NcUTT + 10-Nex(geu6UM6-g_UM,) ІО-5(ЦМВ-Ц„6)ЬЛР„, где Age- уменьшение удельного эффективного расхода топлива при переводе двигателя на более вязкое масло, г/(кВтч); Ne - эффективная мощность двигателя, кВт; ёемб »ёемв соответственно, удельные эффективные расходы базового и вязкого масла, г/(кВтч); Цт,Цмб,ЦМВ- цена, соответственно, топлива, базового и вязкого масла, руб/т; Ьм - удельный объем масла, заливаемый в систему смазки дизеля, л/кВт; рм - плотность масла, кг/м3.
Первый член правой части уравнения (1) представляет собой экономический эффект от сокращения расхода топлива, вызванного переходом на более вязкое масло; второй член - экономический эффект от сокращения расхода масла; третий - характеризует собой увеличение расходов на замену масла, учитывая, что как правило, более вязкое масло имеет большую цену по сравнению с базовым. В случае применения вязкостных присадок зависимость (4.1) претерпит некоторые изменения и примет следующий вид: Здесь дополнительно к формуле (4.1) обозначено: Цп - стоимость присадки, руб/кг; К - массовая доля присадки, кг/кг; g - удельный эффективный расход масла с присадкой, г/(кВтч); AgeM- уменьшение удельного эффективного расхода масла, вызванного применением присадки.
Также как в уравнении (4.1), первые два члена правой части выражения (4.2) определяют собой экономические эффекты соответственно от экономии топлива и масла. Третий член характеризует затраты на присадку при смене масла. Четвертый член учитывает затраты на текущий расход присадки, вызванный угаром масла.
В табл. 4.3 приведены цены топлива и наиболее используемых на речном флоте смазочных масел. Эти материалы взяты по данным нефтебазы «Красный Яр» г. Новосибирска и справедливы на 1 мая 2003 года.
Определим экономический эффект для рассмотренных выше двух случаев повышения экономичности дизелей посредством: перевода на более вязкое масло (248,5/11) и применения вязкостных присадок (6L160PNS) [33]
Решение поставленной задачи для первого варианта (двигатель 248,5/] I) проведем по формуле (4.1). Расчет будем вести для т =3000 ч работы (срок работы масла до его смены). Для оценки расходов топлива и масла воспользуемся материалами табл. 3.1. При этом рассмотрим вариант с наибольшим износом деталей ЦПГ (h =0,37 мм). Сравнение проведем для двух масел - М10Г2 и МС-20. Емкость масляной системы двигателя 248,5/11 равна bMNepM =5 кг. Таким образом 3 = 10 -11,17-12-8,5-3000 + +I0"6-12-3000(9,66 12-6,25 16,5) -10 3(16,5-12)5 = 3,856 тыс.руб. При этом будет сэкономлено 402 кг топлива и 123 кг масла.
Проведенные расчеты показывают, что применение в дизелях с изношенными деталями ЦПГ более вязких масел экономически оправдано.
Экономический эффект от использования присадки Wynn s «Super Charge» в двигателе 6L160PNS будем искать по формуле (4.2). Расходы топлива и масла приведены в табл. 4.2. Количество присадки, согласно инструкции по ее применению, составляет 6%, (т.е. коэффициент К=0,06). Стоимость присадки равна ЦГ1 =345 руб/кг. Емкость системы смазки двигателя 6L160PNS равна bMNepM =65 кг. Расчет будем вести на т -3000 ч. Тогда Ээф = 10_б- 5,44 -190 -8,5 -3000 + + 10"6 1,09 190 12-3000-0,345-0,06-65 -10 0,06-345-4,27-190-3000 =-17,56 тью.руб.
Таким образомэ несмотря на то, что при использовании данной присадки в двигателе 6L160PNS будет сэкономлено за 3000 ч работы 3,1 т дизельного топлива и 621 кг смазочного масла, применить ее в рассмотренных условиях экономически нецелесообразно. Разумеется для двигателя с изношенными деталями Ці 1J , где расходы топлива и масла будут значительно больше, могут быть получены совершенно иные результаты. Поэтому экономическую целесообразность применения присадок необходимо оценивать в каждом конкретном случае. Кроме этого, возникает задача поиска и применения более дешевых вязкостных присадок.
