Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Факторы, влияющие на старение масла в дизеле. задачи исследования 10
1.1. Уровень форсирования по наддуву 11
1.2. Расход масла на угар 12
1.3. Температура головки поршня в полости охлаждения 14
1.4. Тактность дизеля 15
1.5. Конденсация продуктов сгорания 17
1.6. Режим работы дизеля 25
1.7. Прорыв газов в картер 28
1.8. Выводы к главе 1 31
Глава 2. Конденсация продуктов сгорания и влияние температуры поршня на старение масла 33
2.1. Условия конденсации продуктов сгорания в зоне поршневых колец 33
2.2. Диапазон температур поршней в зоне верхней кольцевой канавки 35
2.3. Влияние режимов работы на температуру поршня дизеля Д49 и старение масла 36
2.3.1. Стендовые испытания дизелей на различных режимах...39
2.3.2. Эксплуатационные испытания 52
2.4. Рекомендации по температурному режиму поршней дизеля Д49 59
2.5. Выводы к главе 2 61
Глава 3. Температура цилиндровой втулки и старение моторного масла 62
3.1. Диапазон температур цилиндровых втулок 62
3.2. Математическое моделирование температурных полей 68
3.2.1. Трехмерные поля 70
3.2.2. Сведение трехмерной задачи к двумерной 80
3.2.3. Расчет двумерного распределения температуры по образующей цилиндровой втулки дизеля Д49 85
3.3. Выводы к главе 3 92
Глава 4. Прорыв газов в картер 94
4.1. Состав газов, прорывающихся в картер 94
4.2. Механизм прорыва газов в картер. Расчётное определение содержания продуктов сгорания в прорывающихся газах 95
4.3. Исследование уплотняющего действия поршневых колец 104
4.4. Практические рекомендации по уменьшению прорыва газов в картер дизеля Д49 и их реализация в производстве 109
4.5. Выводы к главе 4 114
Основные выводы и практические рекомендации 117
Список литературы 120
- Температура головки поршня в полости охлаждения
- Диапазон температур поршней в зоне верхней кольцевой канавки
- Расчет двумерного распределения температуры по образующей цилиндровой втулки дизеля Д49
- Практические рекомендации по уменьшению прорыва газов в картер дизеля Д49 и их реализация в производстве
Введение к работе
Система смазки поршневого двигателя внутреннего сгорания является важнейшей системой, определяющей работоспособность двигателя, его надежность и ресурс. Система должна обеспечивать непрерывную подачу масла к трущимся деталям для поддержания жидкого трения и уменьшения износа. Кроме того, должны быть обеспечены вполне определенный отвод тепла, промывка трущихся поверхностей, защита от коррозии, уплотнение зазоров в некоторых узлах, в первую очередь в поршневых кольцах для герметизации надпоршневого объема, уменьшения прорыва горячих газов в картер.
При этом масло в системе должно обладать вполне определенным комплексом физико-химических свойств, отвечающих особенностям эксплуатирующегося ДВС, в частности, уровню его форсирования, свойствам материалов трущихся деталей и т.д.
Для улучшения естественных свойств смазочных масел в их состав включают специальные присадки, в том числе и многофункциональные, которые значительно повышают противокоррозионные, противоокислительные, противоизносные и моющие свойства масел. Самое главное, применение присадок позволяет резко снизить износ деталей двигателя.
В последние десятилетия при проектировании и доводке двигателей значительное внимание уделяется снижению удельного расхода топлива, поскольку имеет место неуклонный и достаточно резкий рост цен на углеводородное сырье, включая моторное топливо. Учитывая, что стоимость моторного масла с присадками существенно выше стоимости топлива, задача снижения расхода масла в двигателях также является весьма актуальной.
Расход масла является одним из основных показателей, определяющих технический уровень конструкции двигателя. Задача снижения расхода масла представляет собой комплекс сложных научно-технических проблем и решается, главным образом, путём совершенствования конструкции двигателя в -6-целом. Однако, очевидно, что основную роль в решении этой задачи играет отработка деталей цилиндропоршневой группы.
Расход масла при эксплуатации ДВС складывается из двух составляющих. Во-первых, это потеря при циркуляции масла в двигателе, обусловленная, в основном, попаданием части его в рабочую полость цилиндров, где оно испаряется и сгорает. Эта составляющая представляет собой расход масла на угар.
Во-вторых, это замена масла, обусловленная его «старением», т.е. постепенным достижением предельно допустимых значений параметров физико-химического состояния с точки зрения обеспечения его работоспособности в эксплуатирующемся двигателе. Основными из этих параметров являются следующие: вязкость, загрязненность, диспергирующая способность по отношению к загрязнениям, щелочное число, водородный показатель, содержание воды и топливных фракций. Достижение предельных показателей масла в процессе специальных испытаний позволяет устанавливать для конкретных двигателей нормативные сроки смены масла. Фактически старение начинается с момента заливки свежего масла. Происходит попадание частиц пыли, сажи, износа трущихся деталей, воды, топлива, но самое главное -окисление, последующая полимеризация и карбонизация масла прорывающимися из камер сгорания в картер горячими газами в присутствии кислорода и паров воды под воздействием каталитических свойств окружающих металлических поверхностей. Образуются растворимые и нерастворимые в бензине компоненты, значительно ухудшающие характеристики масла. Кроме того, попадая на горячие поверхности поршней и колец, они переходят в еще более плотные соединения, которые могут привести к заеданию поршневых колец. При этом создаются условия для увеличения прорыва горячих газов в картер и значительного ускорения старения масла.
Фактор снижения расхода масла имеет особенно важное значение для транспортных двигателей, в частности, тепловозных, т.к. это позволяет помимо снижения эксплуатационных затрат на смену масла уменьшить вес и объем масла на борту транспортного средства и тем самым улучшить весовые характеристики транспортной силовой установки в снаряженном состоянии.
В снижении расхода масла на угар в последние годы достигнут существенный прогресс, в том числе и на дизелях Коломенского тепловозостроительного завода (ОАО «Коломенский завод») [97]. Так, на дизелях типа Д49 (ЧН26/26) достигнут расход масла на угар 0,6-0,8 г/кВт-ч (0,44-0,59 г/л.с.ч) - новые дизели после постройки, хотя в процессе эксплуатации он несколько возрастает. Гарантируемый заводом расход масла на угар составляет 1,35-1,67 г/кВт-ч (1,0-1,25 г/л.с.ч). Эксплуатационный расход масла на дизель-генераторах 1А-9ДГ исполнения 2 с дизелями 16ЧН26/26 мощностью 2250 кВт (3060 л.с.) составляет 0,9 % от расхода топлива, на дизель-генераторах 2В-9ДГ с дизелями такого же типа мощностью 2940 кВт (4000 л.с.) он ещё ниже и составляет 0,3 % от расхода топлива. Четырёхтактные тепловозные дизели фирмы General Electric (США) имеют эксплуатационный расход масла на угар 0,5 % от расхода топлива.
Важно отметить, что дальнейшее снижение этой составляющей расхода масла следует ограничивать по причинам, которые будут рассмотрены в главе 1.
Данная работа посвящена исследованию проблем второй составляющей расхода масла - его старению в тепловозных дизелях. Для данного класса транспортных двигателей эта задача особенно актуальна, т.к. объемы заменяемого по достижению предельных показателей масла весьма значительны.
Форсирование увеличением степени газотурбинного наддува, которое, в основном, обеспечивает повышение топливной экономичности современных двигателей, привело к заметному увеличению теплонапряженности основных деталей и узлов двигателей. Соответствующее увеличение давлений в камерах сгорания и повышение температурных характеристик деталей цилиндро- поршневой группы обусловливает актуальность исследования влияния конструктивных особенностей этих деталей на процессы старения масла.
Необходимо также разрабатывать и совершенствовать методики расчета прорыва газов в картер, содержащих продукты сгорания и негативно влияющих на масло в картере, расчетно-экспериментальные методы температурной оптимизации конструкций отмеченных выше деталей с точки зрения уменьшения старения моторного масла.
Важным направлением работ следует считать также учет эксплуатационных и режимных факторов, влияющих на достижение маслом показателей своего предельного состояния. Так, в частности, автором данной диссертации в составе коллектива сотрудников ОАО «Коломенский завод» был проведен анализ эксплуатации дизелей типа Д49 в составе тепловозных дизель-генераторов.
Отмечена значительная разница в сроках смены масла по различным депо, железным дорогам, климатическим зонам и времени года. Анализ показал связь этого явления с температурными характеристиками деталей ЦПГ, которые зависят от нагрузки, температурных режимов эксплуатации тепловозов.
Это подтвердило результаты стендовых испытаний дизелей, в которых было показано влияние температуры деталей ЦПГ на факторы старения масла. В результате проведённого анализа эксплуатационных данных и данных стендовых испытаний определены пути совершенствования конструкции дизеля.
Цель работы. Исследование влияния конструктивных особенностей деталей цилиндропоршневой группы и режимов работы тепловозных дизелей на старение моторного масла.
В итоге работы были получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту диссертации:
1. Анализ конструктивных и эксплуатационных факторов, влияющих на состояние моторного масла в тепловозных дизелях, показал, что основной причиной его старения являются продукты сгорания, их последующая конденсация с образованием воды и кислот в зоне поршневых колец и прорыв в картер, где содержится масло.
В результате проведения стендовых и эксплуатационных испытаний тепловозных дизелей Д49 на различных режимах было показано положительное влияние увеличения температуры в зоне поршневых колец на замедление старения масла.
Применение математического моделирования позволяет без проведения сложной и дорогостоящей экспериментальной доводки улучшать конструкцию цилиндровых втулок с целью снижения старения масла.
4. Нанесение теплоизолирующего покрытия на поверхность втулки, обращенную к полости охлаждения, позволяет без радикальной переделки доведенной конструкции втулки изменять распределение температуры по ее высоте, улучшающее условия работы масла.
5. Разработана методика расчета прорыва газов в картер и содержания в них продуктов сгорания. Методика учитывает реальные условия кольцевого уплотнения и позволяет получить конструктивные рекомендации по умень шению прорыва газов и снижению содержания в них продуктов сгорания.
Результаты работы представлены в 9 научных публикациях, включающих 5 статей, 1 авторское свидетельство на изобретение и 3 опубликованных доклада на международных научно-технических конференциях.
Диссертационная работа выполнена в ОАО «Коломенский завод» и на кафедре «Поршневые двигатели» МГТУ им.Н.Э.Баумана.
Температура головки поршня в полости охлаждения
В настоящее время для обеспечения работоспособности поршней форсированных дизелей достаточно широко применяется принудительное масляное охлаждение поршней со стороны внутренней полости. Существует мнение, что температура в полости охлаждения поршней является одним из определяющих факторов, влияющих на старение масла. Исследованиями, проведенными на Коломенском заводе с участием автора данной работы, такого влияния не выявлено.
Температура в полости охлаждения поршня оказывает влияние на образование нагара на поверхностях охлаждения, но лишь при использовании масла с низкими диспергирующими свойствами [39,57,71]. Применение масел высокого уровня качества, например, М14ВЦ [74], не приводит к образованию нагара при повышении температуры до 623-653 К (350-380 С) [39] и даже выше.
В эксплуатации имеется достаточно много дизелей, у которых температура поршня в полости охлаждения выше, чем у Д49 (493 К или 220С) при рте = 1,22 МПа (см. табл. 1).
Наиболее показателен в этом отношении дизель 1 ОД 100, у которого температура поршня в полости охлаждения значительно выше, чем у Д49, однако ускоренного старения масла там не наблюдается. Это нельзя объяснить и тем, что дизель 1 ОД 100 двухтактный, поскольку условия окисления масла в полостях охлаждения поршней не зависят от тактности. Масло, стекающее с поршней, в отличие от масла со стенки цилиндра, не попадает в продувочные окна, а сбрасывается в картер.
Известно, что в отечественных тепловозах с двухтактными дизелями (Д100, 11Д45, 14Д40) сроки смены моторного масла в 2-4 раза больше, чем в тепловозах с четырехтактными дизелями, в том числе и типа Д49. Это обусловлено несколькими факторами: - меньшим расходом масла на угар в дизелях типа Д49 (0,3-0,9 % от расхода топлива) по сравнению с двухтактными дизелями (1,1-1,2%), - конструктивными особенностями двухтактных дизелей - наличием продувочных окон, являющихся своеобразным барьером, сокращающим поступление в картер окисленного в высокотемпературной зоне масла и продуктов сгорания топлива.
Стендовые испытания, проведенные автором данной работы на дизелях 12ДН23/30 (14Д40), подтвердили эти положения. Было показано, что часть снимаемого кольцами со стенок цилиндра окисленного масла и продуктов сгорания выбрасывается через окна в воздушный ресивер. Из ресивера масло стекает в маслосборник. Анализ проб масла, отобранных одновременно из картера и из маслосборника, показывает большую степень окисления масла в маслосборнике (табл.2). Щ.ч.- щелочное число, рН - водородный показатель, НБ - нерастворимые в бензине, Vioo - вязкость кинематическая при 373 К (100С), г - оптическая загрязнённость, ДС - диспергирующая способность.
Кроме того, как установлено проверками на стендах и показано в публикациях [43,45], в ОГ двухтактных дизелей содержится меньше NOx, чем в ОГ четырехтактных дизелей, что соответственно уменьшает расходование присадок, нейтрализующих кислые продукты сгорания.
Эти факторы обусловливают меньшую чувствительность двухтактных дизелей к уровню эксплуатационных свойств моторного масла и большие сроки смены масла, чем в четырехтактных.
Проблема конденсации продуктов сгорания изучается достаточно давно. Применительно к ДВС первые публикации стали появляться в начале 50-х годов. Исследования проводились с целью оценки влияния конденсации продуктов сгорания на коррозионный износ деталей двигателя. Одним из первых исследователей этой проблемы следует считать H.Ricardo, который установил, что коррозионный износ очень сильно увеличивается, когда температура внутренней поверхности цилиндровой втулки опускается ниже точки росы агрессивных веществ [118].
К. Groth выявил [104,105], что на этот процесс очень сильное влияние оказывает содержание серы в топливе. Позднее это отмечали P.Muller [113,115], Л.С.Рязанов [70], Г.А.Морозов [50] и другие [44, 101]. В настоящее время это -аксиома, известная каждому двигателисту. K.Groth также определил температуру точки росы водяного пара в зависимости от хода поршня для различных коэффициентов избытка воздуха и процессов горения. Он показал, что коррозия при конденсации паров воды прежде всего опасна для верхней части цилиндровой втулки [104,105].
Первые измерения и теоретические исследования по вычислению температур точек росы в камере сгорания проводили P.Muller [114], O.Neu-meister [116,117] и W.Bode [102]. Они разработали методики расчета температуры точек росы при сгорании серодержащего топлива. Опираясь на эти работы, C.Teetz [123,124] создал вычислительную программу, с помощью которой могут быть определены температуры стенок цилиндра для всех граничных условий хода поршня, а также температуры точек росы для тех же условий. Автор предложил параметр, названный им «фактор опасности», который описывает степень опасности износа цилиндровой втулки из-за падения температуры ниже точки росы в зависимости от следующих параметров
Диапазон температур поршней в зоне верхней кольцевой канавки
Итак, температура поршня в зоне верхнего поршневого кольца - один из основных критериев, определяющих требования двигателя к качеству моторного масла. Чем больше значение этой температуры, тем более высокими антиокислительными и моющими свойствами должно обладать моторное масло. Например, при использовании масел группы качества В2 [85], допустимой считается температура канавки первого кольца 473-493 К (200-220С), для групп Г2 и Д верхними пределами температур являются 493-513 К (220-240С). Однако при таких температурах в условиях длительной эксплуатации двигателя возможно ухудшение термопрочности поршней, может произойти пригорание поршневых колец.
Очевидно, что при выборе нижнего предела оптимальной рабочей темпратуры зоны верхнего кольца необходимо учитывать указанный выше фактор конденсации продуктов сгорания.
Значения этой температуры отличаются у двигателей разных моделей на десятки градусов. При этом она может не зависеть от степени форсирования по наддуву или от критериев теплонапряженности поршня, поскольку конструкторы располагают эффективными способами ее снижения: охлаждение поршня маслом, совершенствование геометрии головки поршня, нанесение на головку теплоизолирующих покрытий, снижение средней температуры термодинамического цикла [73].
Поэтому повышение уровня форсирования двигателей по наддуву не всегда автоматически сопровождалось ростом температур поршня. В некоторых случаях отмечались даже обратные процессы: рте повышалось, но одновременно вводилось масляное охлаждение поршней и температура снижалась.
С использованием данных из большого числа публикаций а также собственных исследований, проведенных с дизелями типа ЧН26/26 и ЧНЗО/38, автором был выполнен сравнительный анализ температур t\ в зоне верхней канавки поршня четырехтактных дизелей средней быстроходности. Результаты анализа представлены в табл.7 и на рис.2.2.
В качестве показателя уровня форсирования двигателей выбрано произведение среднего эффективного давления на среднюю скорость поршня, отнесенное к тактности двигателя. Представлены также значения критерия теплонапряженности, предложенного Б.Я.Гинцбургом - отношение цилиндровой мощности к диаметру цилиндра [18].
В табл.7 и на рис.2.2 обращает на себя вниманание тот факт, что дизели с температурой поршня 403-423 К (130-150 С) составляют значительную часть от общего количества (около 20 %). В основном это высокофорсированные дизели с большой теплонапряженностью поршня. Конструкторы стремились снизить температуру поршня с целью повышения его тепломеханической прочности и, как следствие, увеличения надежности работы дизеля. При этом условия работы моторного масла не всегда обеспечивались наилучшим образом. Если выразиться более определенно - ухудшались.
В зарубежных дизелях это негативное обстоятельство компенсировалось применением качественных масел с высокими моюще-диспергирующими свойствами. Однако имеются публикации, где говорится о проблемах, связанных с коррозионным износом верхней канавки поршня, и о различных конструктивных мероприятиях, направленных на решение этой проблемы [108].
Так, в частности, фирма Shell рекомендует поддерживать температуру верхней поршневой канавки в диапазоне 453-493 К (180 - 220 С) [10].
Как показало термометрирование, выполненное автором, дизели Коломенского завода типа Д49 (16ЧН26/26) мощностью 2250 кВт (3060 л.с.) имеют температуру поршня на уровне 418-423 К (145-150С) (взята минимальная температура по окружности поршня со стороны втулки), т.е. находятся в отмеченном выше температурном интервале (130-150С). При таких температурах и максимальных давлениях сгорания (11-12 МПа) конденсация воды возникает уже на режиме, близком к полной мощности.
Однко, как было показано в главе 1, для тепловозных дизелей с точки зрения старения масла совершенно необходимо рассмотреть и частичные режимы. туры производились в четырех точках по окружности поршня над верхней кольцевой канавкой (рис.2.4).
Из рис 2.3 видно, что на VI позиции контроллера (540 об/мин) температура поршня падает до 378-383 К (105-110С), давление сгорания при этом составляет 5,5-6,0 МПа. В таких условиях интенсивность неблагоприятных процессов конденсации продуктов сгорания значительно возрастает (см.рис.2.1). В эксплуатации такие режимы достаточно употребительны (п. 1.6).
При работе дизеля по нагрузочной характеристике снижение температуры поршня происходит в еще больших пределах (рис.2.5.). Это обусловлено тем, что охлаждение поршня более интенсивно вследствие постоянной производительности масляного насоса.
В таком режиме работают дизель - генераторы 4-26ДГ (12ЧН 26/26), установленные на передвижных электростанциях ПЭ6. Там также имеется серьезная проблема со смазкой. Исследование влияние нагрузки на старение моторного масла
Исследование влияния нагрузки на кинетику изменения физико-химических показателей моторного масла было выполнено во время длительных стендовых испытаний продолжительностью 4000 ч. Испытаниям подверглись дизель-генератор 1А-9ДГ исполнения 2 и 2В-9ДГ с дизелями Д49. Дизели обоих агрегатовов принципиально одинаковы и отличаются только уровнем форсирования по наддуву, мощность первого - 2200, второго - 2800 кВт. Параметры агрегатов во время испытаний представлены в табл.8.
Испытания проводились на одних и тех же режимах (с одинаковым значением средней мощности за период испытаний, выраженным в процентах от номинального) и на одном и том же масле, что позволяет провести сравнительный анализ работы масла. Разрегулировки и неисправности топливной аппаратуры исключались, поскольку в процессе испытаний осуществлялся тщательный контроль всех параметров работы агрегатов.
Расчет двумерного распределения температуры по образующей цилиндровой втулки дизеля Д49
Поскольку расматриваемая цилиндровая втулка является осесимметрич-ной, для моделирования температурного поля в ней можно прменять пакет ТДН-2МЗ. В качестве исходных данных для расчета были использованы гра ничные условия теплообмена, которые определялись для четырехтактных дизелей ОАО «Коломенский завод» по методике, разработанной сотрудниками завода и НИИЖТ с учетом публикаций [19,48,74]. Основные положения методики изложены в работе [17]. При задании граничных условий теплообмена не учитывались тепловой поток, обусловленный трением поршневых колец о втулку, тепловой поток между втулкой и крышкой цилиндра, а также контактный теплообмен между кольцами и втулкой, т.е. для соответствующих поверхностей было принято q = 0. Обоснованность указанных допущений подтверждена решением обратных задач теплопроводности и данными работы [87]. Конечноэлементная аппроксимация втулки осуществлялась системой кольцевых симплекс-элементов. Расчет был выполнен в 4-х вариантах: 1. Втулка цилиндра дизеля Д49 с рте=1,22Мпа, Кец=137кВт (исходный вариант); 2. То же, с теплоизолирующим покрытием из двуокиси циркония, нанесенным газотермическим способом на охлаждаемую поверхность втулки (160 мм по высоте, см. рис.3.13); 3.Втулка цилиндра дизеля Д49 с ртс= 1,6 Мпа, NeiI = 184 кВт; 4. То же, но с покрытием как в варианте 2. Граничные условия по теплообмену в верхней части втулки цилинндра Д49 для двух уровней форсирования представлены на рис.3.12. При выполнении расчетов для материала втулки принято Я = 53,5 Вт/мК. Зависимость Я от температуры не учитывалась. Для материала покрытия - двуокиси циркония (Zr02) принято Я = 0,3 Вт/мК [9], толщина покрытия 0,5 мм. Материал втулки - чугун серый СЧ25 (ГОСТ 1412-85), легированный хромом, никелем и молибденом с содержанием фосфора до 0,15 %, заводская марка ХНММ. При формировании условий теплообмена со стороны полости охлаждения в варианте с теплоизолирующим покрытием был использован приведенный коэффициент теплоотдачи апрИВ, который определялся из соотношений для термического сопротивления где: R„,c,, „- соответственно термическое сопротивление, толщина, коэффициент теплопроводности слоя покрытия, RK- термическое сопротивление пограничного слоя на границе покрытия и теплоносителя (воды), aw- коэффициент теплопередачи от слоя покрытия к теплоносителю.
В расчетную схему включена верхняя часть втулки (над верхней точкой остановки первого кольца) и участок работы колец (от верхней до нижней точки остановки первого кольца). На рис.3.13 показаны результаты расчета температур на внутренней поверхности цилиндровой втулки для 4-х указанных выше вариантов вместе с соответствующими осредненными по ее окружности данными экспериментального термометрирования. Из рисунка видно, что в районе верхнего торца втулки, где отмечен максимальный уровень температур, результаты расчета и эксперимента практически совпадают. Максимальное расхождение для всех вариантов не превышает 10%. Приведенное сопоставление показывает приемлемую для практических целей точность метода математического моделирования температурных полей [17,82]. Результаты моделирования для базового варианта исполнения втулки (без теплоизолирующего покрытия), как и соответствующие эксперименты, показали значительное падение температуры поверхности втулки по ходу поршня вниз от ВМТ, обусловленное отводом тепла в систему охлаждения. С целью устранения этого отрицательного фактора на старение моторного масла и было предложено простое конструктивное решение - нанести со сторо ны полости охлаждения на поверхность втулки теплоизолирующее покрытие двуокисью циркония толщиной 0,5 мм и высотой 160 мм. Результаты расчетного моделирования и последующие эксперименты показали возможность повышения температуры в средней и нижней частях втулки до 395 К (122С) при NCU=137KBT ИДО 425 К (152С) при Кец=184кВт соответственно (рис.3.13). В условиях понижающегося по ходу поршня давления газов такие температуры позволяют решить проблему практически полного устранения конденсации продуктов сгорания в зазорах между втулкой и поршнем дизелей Д49. Важно отметить, что результат достигается без снижения тепломеханической прочности втулки, без изменения ее базовой, доведенной конфигурации и снижения ее работоспособности. Отметим также, что повышение температурного уровня втулки в зоне работы колец снизит коэффициент трения в системе «втулка-поршневые кольца», повысит топливную экономичность [81,86] и уменьшит расход масла на угар за счёт уменьшения зазора в паре поршень-втулка в нижнем и среднем поясах втулки [81,86]. Высокотемпературного окисления масла также не следует опасаться, т.к. и при более высоких температурах в верхней части втулки повышенного старения масла не наблюдается. Хорошее согласование результатов численного расчета с использованием МКЭ температурных полей деталей ДВС с результатами соответствующих экспериментов говорит о возможности применения математического моделирования для конструктивной оптимизации деталей, в частности, цилиндро-поршневой группы с точки зрения снижения старения моторного масла.
Практические рекомендации по уменьшению прорыва газов в картер дизеля Д49 и их реализация в производстве
1. Уменьшение дросселирующего сечения для прохода газов в картер. На нижних кромках замка поршневого кольца дизеля Д49 ранее выполнялись скруглення радиусом 0,5 - 0,8 мм. Учитывая результаты исследований, описанных в п.4.3, было рекомендовано отказаться от этих скруглении. В настоящее время нижние кромки замка выполняются острыми. Это уменьшило дросселирующее сечение для прохода газов в 2-2,5 раза, и позволило значительно снизить прорыв газов в картер. 2. Увеличение дросселирующего сечения для перетока газов из межкольцевого объема обратно в камеру сгорания. В публикации [84] и п.4.2 настоящей работы отмечено, что снизить содержание продуктов сгорания в межкольцевом объеме, уменьшив тем самым их конденсацию, можно за счет разгрузки давления в указанном объеме. Это происходит при улучшении условий перетока продуктов сгорания обратно в цилиндр. С учетом результатов исследований п.4.3 можно рекомендовать увеличить дросселирующее сечение в верхней части замка 1 поршневого кольца. Для этого было предложено выполнить фаску, как показано на рис.4.7. В п.4.2 было отмечено, что, начиная с определенного момента по углу поворота коленвала поступление продуктов сгорания через кольцевой замок в объем между 1 и 2 кольцами прекращается вследствие выравнивания давлений в цилиндре и в этой камере. Перепад давлений становится обратным, и тем самым создаются условия для претока части продуктов сгорания назад в камеру сгорания.
При этом дросселирующим будет уже верхнее сечение замка, и его целесообразно расширить. Важно отметить, что, кроме улучшения условий обратного выхода продуктов сгорания из указанного объема на рабочем ходе поршня, наличие верхней фаски увеличивает коэффициент расхода и улучшает тем самым условия захода свежего заряда в межкольцевой объем на ходе сжатия. В результате кривая изменения давления в этом объеме будет проходить несколько выше, и обратный переток на рабочем ходе начнется раньше вследствие более раннего выравнивания давлений. Предложенная доработка позволяет увеличить верхнее дросселирующее сечение в 5-6 раз. В результате выход продуктов сгорания обратно в цилиндр значительно возрастет, их концентрация в объемах под поршневыми кольцами уменьшится. Это приведет к снижению конденсации. В работах [23,103, 120,122] отмечено, что подобные мероприятия, кроме замедления старения масла, снижают и его расход на угар. С целью еще более радикального уменьшения прохода продуктов сгорания и конденсации в полость картера дизеля было разработано специальное приспособление. Расмотрим его конструкцию (рис.4.8). В блоке цилиндров 1 установлена цилиндровая втулка 2.
Во втулке движется поршень 3 с компрессионными 4 и маслосъемным 5 кольцами. В районе остановки межкольцевого объема компрессионных колец в НМТ со стороны наружной поверхности втулки выполнена кольцевая проточка 7. Для связи «спустившегося» межкольцевого объема с полостью проточки равномерно по окружности втулки выполнены сверления 6. Кольцевая полость проточки 7 соединена каналом 8 со сборной емкостью 9. При подходе поршня 3 к НМТ продукты сгорания и конденсации из межкольцевого объема под действием остаточного давления через сверления 6, проточку 7 и канал 8 сбрасываются в емкость 9, где поддерживается атмосферное давление. Приспособление позволяет пракически полностью пресечь прорыв газов в картер и тем самым значительно увеличить срок смены масла в дизеле. Приспособление зарегистрировано как изобретение [99], изготовлено в металле и внедрено в ОАО «Коломенский завод». 1. В составе газов, прорывающихся в картер дизелей, содержится до 22 % подверженных конденсации продуктов сгорания и ускоряющих тем самым старение масла. 2. Разработана аналитическая методика расчета прорыва газов через кольцевое уплотнение в картер и содержания в них продуктов сгорания. Методика основана на реальном механизме прорыва и учитывает геометрические особенности деталей ЦПГ, образующих тракт движения газов. Применение методики показало хорошее согласование результатов расчета и экспериментальных данных. 3. С помощью расчетной методики было показано, что, увеличивая высоту -головки поршня над первым кольцом, можно продлить период перемещения фронта продуктов сгорания к кольцу и тем самым уменьшить долю продуктов сгорания в прорывающихся газах. В частности, для дизеля Д49 при высоте головки над первым кольцом 40 мм поступление продуктов сгорания в картер на 30 % меньше, чем при высоте головки 20 мм. Однако следует иметь в виду, что такое мероприятие может ухудшить топливную экономичность и экологические показатели дизеля. Без ухудшения этих важнейших характеристик задержать перемещение фронта прорывающихся в картер газов можно за счёт уменьшения радиального зазора между головкой поршня и стенкой цилиндра, а также за счет уменьшения дросселирующего сечения замка первого кольца. При этом можно добиться такого положения, когда фронт продуктов сгорания вообще не достигает кольца, и их поступление в картер ограничится долей остаточных газов. Такое положение имеет место в дизелях ряда 48.5/11, где в составе картерных газов всего 2-4 % продуктов сгорания. 4. В результате проведения экспрериментальных исследований было показано, что размер дросселирующего сечения для прохода газов через замок кольца определяется зазором по нижним кромкам замка. При этом если зазор увеличивается за счет выполнения фасок или скруглений, то соответственно увеличивается и дросселирующее сечение. Показано, что прорыв газов практически пропорционален зазору по нижним кромкам замка. Таким образом, наличие фасок и скруглений на кромках поршневых колец и поршневых канавок, особенно на нижних кромках, нежелательно, так как значительно увеличивает прорыв газов в картер.
