Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературных источников и задачи исследовании 9
1.1. Влияние обогащения воздуха на впуске легким топливом на характеристики дизелей 9
1.2. Основные закономерности износа сопряжений ЦПГ ДВС, технологические методы повышения их ресурса 15
1.3. Выводы и задачи исследований 24
Глава 2. Теоретический расчет гидро- и термодинамических параметров га30к0нденсатн0- потока . впускного тракта дизеля 27
2.1. Выбор модели исследования 27
2.2. Расчет гидродинамических параметров струи 29
2.3. Определение снижения температуры газоконденсатно-воздушной среды впускного тракта дизеля 43
2.4. Определение интенсивности испарения газоконденсата Южно-Мубарекского месторождения 47
Глава 3. Экспериментальные исследования рабочих процессов дизеля при обогащении воздуха на впуске газоконденсатом 53
3.1. Сравнительные стендовые исследования. Задача и методика ; 53
3.2. Испытательный стенд и измерительная аппаратура 57
3.3. Техника проведения опытов и обработка экспериментальных данных. Оценка погрешности измерения. 63
3.4. Результаты сравнительных стендовых испытаний 66
Глава 4. Исследование сравнительной износостойкости материалов сопряжения "кольцо-канавка поршня" дизеля а-01, обработанных различными методами 77
4.1. Подготовка образцов для испытаний и определение их механических свойств 79
4.2. Машина трения и методика испытаний 93
4.3. Результаты испытаний трением 95
Глава 5. Определение сравнительной экономической эффективности от модернизации дизеля а-01 102
Выводы 112
Литература
- Влияние обогащения воздуха на впуске легким топливом на характеристики дизелей
- Определение снижения температуры газоконденсатно-воздушной среды впускного тракта дизеля
- Сравнительные стендовые исследования. Задача и методика
- Подготовка образцов для испытаний и определение их механических свойств
Введение к работе
Повышение экономичности, удельной мощности и надежности двигателей дорожно-отроительных машин является одной из важных задач XI пятилетки, вытекающей из решений ХХУІ съезда КПСС, ноябрьского (1982 г.) и июньского (1983 г.) Пленумов ЦК КПСС [1,2,3]. Реализация поставленной задачи предопределяет значительный народнохозяйственный эффект за счет сокращения простоев машин, увеличения их производительности, снижения затрат на топливо и ремонт, уменьшения потребности в запасных частях и др.
Достижение намеченных целей на современном этапе требует широкого внедрения новаторских инженерных и конструкторских решений, резкого углубления и расширения научных исследований.
На протяжении ряда лет данной проблемой занимаются видные советские ученые А.А.Гуреев, A.A.Myталибов, М.А.Григорьев, А.Г.Сахаров, В.А.Долецкий, М.М.Хрущов и др.
Однако большинство отечественных работ посвящено исследованию двигателей ДСМ, работающих на стандартных видах топлива. Наряду с этим в настоящий период в свете решений партии и правительства об усилении экономии топливно-энергетических ресурсов в нашей стране наметились тенденции по созданию и использованию в ДВС так называемых нестандартных более дешевых и экономичных видов топлива, спиртовых добавок на метиловой основе, добавок водорода, использование водно-топливных эмульсий, газоконденсатних топлив и др. [11,12,13, 8,22j.
Одним из перспективных путей в этом плане представляется использование газоконденсата в дизельных двигателях в качестве добавки его к основному топливу путем обогащения воздуха, поступающего в цилиндры [29,30].
Перспективность этого направления обусловливается относитель- но несложными конструктивными изменениями существующих моделей двигателей, а также наличием значительных запасов газоконденсата в месторождениях Узбекистана и Западной Сибири.
Широкое применение газоконденсата как дополнительного топлива в дизельных двигателях и, в частности, двигателях ДСМ сдерживается рядом объективных факторов, среди которых определяющее место занимает недостаточная изученность влияния добавки газоконденсата на моторесурс двигателей, в первую очередь деталей ВДГ. В этой связи работы, направленные на исследование указанных вопросов,представляются весьма своевременными и актуальными.
Учитывая сказанное выше, целью настоящей работы явилось исследование рабочих и повышение ресурсных характеристик двигателей ДСМ при работе с обогащением воздуха газоконденсатом.
Объектом исследования были выбраны дизельные двигатели Алтайского моторного завода (АМЗ) модели A-0IM и A-4I, получившие широкое распространение на ДСМ.
Как показал предварительный анализ, критическим по ресурсу сопряжением двигателя А-01 (по данным АМЗ) является пара "первое компрессионное кольцо-канавка поршня". Специальными исследованиями [55,56] было установлено, что у дизелей A-0IM, сданных в капитальный ремонт на Ташкентский опытный ремонтно-механический завод, зазор этой пары значительно превышает регламентированное значение 0,5 мм (достигает 2,15 мм при среднем значении 0,59 мм).
Дефектовка показала, что при этом остальные сопряжения ІЗДГ имеют остаточный ресурс 40...60$, что допускает продолжение эксплуатации двигателя.
Таким образом, исследование факторов и внедрение мероприятий, повышающих ресурс критической пары с одновременным улучшением характеристик двигателя, представляет научную новизну и является экономически целесообразным. В числе возможных вариантов реализации этой задачи выбраны следующие: обогащение воздуха на впуске газоконденсатом; обработка канавки первого компрессионного кольца 00«-аазером; - вибронакатывание торцев кольца. В работе выполнено следующее:
На основе анализа литературных источников выбрано направив ни е модернизации дизеля.
Разработана аналитическая модель движения топливо-воздуш-юй смеси во впускном коллекторе дизеля. По выведенным формулам іроизведен расчет температурного режима топливо-воздушного потока.
Исследованы сравнительные рабочие и ресурсные характеристики дизеля А-4І (А-0ІМ) при работе с обогащением воздуха.
Проведены сравнительные исследования износостойкости мате-зиалов сопряжения "кольцо-поршень", обработанных с применением раз-шяных технологических методов.
Проведен условный расчет экономической эффективности от шедрения результатов исследований.
Работа выполнена на кафедре "Дорожные машины и оборудование" 'ашкентского автомобильно-дорожного института с 1978 по 1984 г.
Влияние обогащения воздуха на впуске легким топливом на характеристики дизелей
Развитие дизелестроения направлено на увеличение мощности двигателей с одновременным повышением их надежности, снижением расхода топлива и уменьшением токсичности выхлопных газов. К традиционным методам реализации этих задач относятся: увеличение частоты вращения коленчатого вала, увеличение воздушного заряда в цилиндре, снижение механических потерь и некоторые другие.
Эффективным методом является обогащение всасываемого воздуха легким топливом (бензин, газоконденсат, спирт), влияющие на пред-пламенную подготовку воздушного заряда. В то же время этот метод имеет значительное влияние на всю работу дизеля в целом, и его удачное конструкторское решение позволяет существенно улучшить показатели двигателя.
Известно, что в дизеле процесс сгорания растянут по времени в сравнении с карбюраторным двигателем, что приводит к снижению сравнительных показателей. Тенденции к сокращению времени процесса сгорания и уменьшению догорания путем сокращения времени впрыска топлива мало результативны, тем более, что при этом резко повышается жесткость работы двигателя и снижается его ресурс. В этом отношении способ предпламенной подготовки горючей смеси путем обогащения воздуха на впуске в цилиндр является одним из наиболее действенных [35]. Как показывают исследования, с помощью этого способа возможно достаточно эффективно влиять на скорость и интенсивность протекания процесса сгорания. При предварительном обогащении воздуха легким топливом и создании топливо-воздушной смеси процессы пред-пламенной подготовки начинают протекать во время сжатия заряда в цилиндре. Это процессы предварительного неполного окисления углеводородов с образованием большого количества неустойчивых промежуточных химических соединений, перекисей, кислот, спиртов, формальдегида и других карбонильных соединений, концентрация которых зависит от степени обогащения воздуха и степени сжатия. Интенсивное влияние обогащения воздуха на предпламенные реакции действенно влияет на выходные параметры дизелей. Исследование этого вопроса является темой большого количества статей, диссертаций и авторских свидетельств.
Начало изучения процесса сгорания в дизеле с подачей части жидкого топлива к воздушному заряду было положено в 30-х годах проф.Чаромским (ВДАМ). В настоящее время эти исследования интенсивно ведутся в МИИСП на кафедре двигателей школой проф.А.Г.Сахарова [18,36,37,38], где эксперименты проводятся на двигателях Д-37М, Д-37Е, СВД-І8К, СМД-І4 и Д-50, работающих по БДИ, когда бензин через специальное устройство типа карбюратора [39], или через форсун.-ку подается в воздушный коллектор. Авторами [28,29,30,31] установлено, что при этом эффективная мощность дизеля Д-37М повышается с 30 до 38 квт, а экономичность улучшается до 12?0 в широком диапазоне нагрузок. При нагрузках меньше 40$ от номинальной БДП менее экономичен, чем обычный дизельный процесс. Температурная напряженность двигателя и отдельных-деталей при БДП оказалась ниже, чем при дизельном, в случаях одинаковых нагрузок. Форсирование мощности на 20...25$ поднимает температурную напряженность двигателя при БДП до значений, не препятствующих его нормальной работе. Отмеченный факт не объясняется авторами исследований и отдельно не анализируется. По-видимому, эффект снижения теплнапряженности является следствием не предпламенных реакций, а процесса испарительного охлаждения потока воздуха в впускном коллекторе при испарении диспергированного бензина. Очевидно, что необходимо провести исследования этого явления с целью практического применения БДИ.
Исследования состава картерного масла при сравнительных испытаниях дизеля Д-37М показали, что значение кислотности, зольности и механических примесей, а также отложение нагара в цилиндрах при БДП ниже, чем при дизельном. Коксовое число и количество железа в масле в обоих случаях оказалось практически одинаковым. При микро-метрировании износов деталей ЦПГ обоих двигателей после испытаний существенных отличий также не было обнаружено, несмотря на то, что двигатель с бензодизельным питанием в период испытаний был нагружен на 2Ь% больше [36]. Повторение указанных эффектов было отмечено также при испытании дизелей СМД-І4 [37] и Д-50 [38], которыми установлено, что при фиксированном расходе топлива эффективная мощность и экономичность БДП выше дизельного (дизель Д-50 был форсирован до 44 квт). Температура выхлопных газов в диапазоне 24...37 кВт при БДП оказалась ниже, чем при дизельном, а при малых нагрузках ниже 24 квт - наоборот [38]. Исследование БДП с точки зрения выбора наиболее эффективного топлива-обогатителя показали, что наилучшие результаты дает подача на впуске низкооктанового неэтилированного бензина А-56 прямой перегонки, содержащего больше, чем бензин А-66, А-72, А-76 нормальных алкановых углеродов [18].
Определение снижения температуры газоконденсатно-воздушной среды впускного тракта дизеля
Исследование термодинамического процесса в системе воздух-газоконденсат и получение аналитической зависимости снижения температуры смеси за счет испарения последнего имеют самый общий характер и могут быть использованы для аналогичных расчетов характеристик газожидкостных систем при наличии испарения жидкой фазы.
Учитывая, что С, ,С2 » С3 р 1 и К неизменны, так как являются термодинамическими параметрами веществ, снижение температуры смеси зависит от средней концентрации газоконденсата, времени пребывания капель в трубе и начальных температурах и размера капель. Средняя концентрация газоконденсата для номинального режима постоянна [15], а начальный диаметр капель выбран в соответствии с [23,24]. Следовательно, снижение температуры смеси зависит только от начальной температуры, времени пребывания капель в трубе, которое, в свою очередь, зависит от места установки форсунки для подачи газоконденсата, а также от соотношения скоростей струи и спутного потока. Меняя эти три параметра, можно получить желаемую величину снижения температуры.
В уравнении (2.88) входит выражение rng-" , представляющее интенсивность испарения газоконденсата при изменении степени насыщения спутного потока парами.
Как известно [26], интенсивность испарения в начальный период времени, характерный для рассматриваемого процесса, сохраняет постоянное значение, равное то . Справочные данные значений этой величины для газоконденсата и сходных с ним свойств по свойству углеводородов в специальной литературе отсутствуют. Поэтому были проведены экспериментальные исследования с целью определения численного значения то .
Исследования, проводились по специально разработанной методике, при которой, рассчитывалась интенсивность испарения в диапазоне температур 24..Л00С.
Газоконденсат заливался в 3 бюксы с площадью испарения 10,4. 10 иг, 5,6«КГ4 иг и 5,9 м , которые взвешивались на аналити-ческих весах ВЛА-200 с точностью 10 . Затем бюксы помещались в эксикатор специальной конструкции объемом 2000 см3. Конструкция эксикатора позволяет открывать крышки бюкс без открывания эксикатора, т.е. испарение газоконденсата происходит в конечном объеме.
Эксикатор выдерживался в термошкафе с точностью регулирования температуры +2С в течение 60 мин.; при этом температура газоконденсата в бюксах выравнивалась и становилась равной температуре в термошкафе» Далее, эксикатор извлекался и бюксы открывались на время, необходимое для испарения. Отсчет времени производился по секундомеру с точностью +1,0 сек. После закрывания бюкс эксикатор выдерживался 60 мин. при комнатной температуре, затем бюкса открывались и повторно взвешивались. Разница в массе бюкс до и после испарения усреднялась, и была принята для расчета интенсивности испарения.
При этом было установлено, что средняя интенсивность испарения газоконденсата при малых, до 20 с, промежутках времени практически является постоянной величиной (табл.1).
В результате расчетов по уравнению (2.81 ) были получены зна-чения изменения радиуса капли % = 32 10 м, движущейся и испаряющейся в воздушном потоке при исходных температурах /77 = 24... Ю0С (табл.2.2).
Данные табл.2.2 графически представлены на рис.2.4. Из уравнения (2.81) при условии 7 = п было определено время полного испарения капли 7 = 32«КГ6 для различных температур (табл.2.3). Полученные значения 1ср (табл.2.2) использованы для расчета падения температуры воздушного потока при испарении в нем газоконденсата по уравнению (2.88) (табл.2.4).
Сравнительные стендовые исследования. Задача и методика
Для исследования влияния обогащения воздуха на впуске газоконденсатом на эффективные показатели дизеля проведены сравнительные стендовые исследования, включающие в себя
а) проверку теоретических расчетов температурных режимов га зоконденсатно-воздушного потока;
б) анализ характера изменения мощностных, экономических и температурных показателей работы дизеля при различных способах пи тания.
Решение данных задач в лабораторных условиях осуществлялось путем снятия необходимых сравнительных характеристик дизеля, работающего по дизельному процессу и с обогащением воздуха топливом (газоконденсат Южно-Мубарекского месторождения).
При проведении стендовых исследований диапазон нагрузок и частота вращения коленчатого вала выбиралась в пределах, наиболее часто встречающихся в эксплуатационных условиях при работе дизеля на землеройных машинах. Для дизелей землеройных машин характерными условиями работы являются режимы номинальной мощности и максимального крутящего момента. Однако такие значения величин исследуемых параметров не дают полного представления о технико-экономических показателях дизеля при его эксплуатации. Это обстоятельство потребовало проведения стендовых исследований в более широком диапазоне как по нагрузочным, так и по скоростным режимам.
В основу методики исследования положен сравнительный метод. Исследования проводились путем снятия серии регулировочных характеристик по расходу топлива, скоростных.ж регуляторных характеристик, по специально разработанной методике.
Во время испытания- барометрическое давление соответствовало 80 = 100... 102 кПа при температуре окружающего воздуха e = 27... 32С и относительной влажности d - 50...60%.
В качестве основного топлива применялось дизельное марки "Л" ГОСТ 305-62, в систему смазки заливалось масло М-І0Г. При выборе топлива - обогатителя применяли газоконденсат месторождения Южный Мубарек. Продолж.табл.З.I ароматические % 6 нафтеновые $ 36 парафиновые % 58
Из числа имеющихся газоконденсатов (Южный Мубарек, Северный Мубарек, Газли, Шатлык, Гугуртли, Уренгой, Медвежье и др.) выбранный газоконденсат обладает необходимыми для обогащения свойствами. Так, его кинематическая вязкость составляет 0,76 10 NT/C, тогда как газоконденсаты других месторождений имеют более высокую кинематическую вязкость (1,05 10 ...2,0 Ю""6 иг/с), что ухудшает карбюрацию и испарение. Другие показатели газоконденсата месторождения Южный Мубарек, как октановое число (54), содержание серы (0,01%) и прочие, близки к показателям низкооктановых бензинов,рекомендуемых авторами [36,38,42] для использования в качестве топлива - обогатителя.
Основные показатели топлива приведены в табл.З.I. Сравнительные стендовые исследования проводились в два этапа. На первом этапе исследований предусматривалось получение эффективных показателей и характеристик двигателя, работающего по дизельному процессу. Снятие характеристик производилось согласно методике ГОСТ 18509-80.
На втором этапе исследований предусматривалось получение характеристик дизеля, работающего с обогащением воздуха топливом. В режиме номинальной мощности рейка топливного насоса фиксировалась, с помощью регулировочной иглы карбюратора, подача топлива-обогатителя увеличивалась от нуля сначала до 3-4 мг/л.ц., затем до мг/л.ц. более плавно, пока не был достигнут предел (отсюда название характеристики "предельная"), обусловленной резким ухудшением экономичности, появлением детонационных стуков и усиленным дымлением. При этом равномерность подачи топлива по цилиндрам корректировалась по общему уровню температурной напряженности.
При снятии предельной характеристики расход дизельного топлива выдерживался постоянным & = const , а расход топлива-обо-гатителя изменялся G. - vaz . Оптимальные расходы обоих топлив находились по критерию (/v -пе ) max ж по температуре ОГ. В связи с тем, что частота вращения коленчатого вала выдерживалась постоянной, регулировочная характеристика была построена в функции от суммарного часового расхода обоих топлив.
Подготовка образцов для испытаний и определение их механических свойств
Критическим сопряжением по ресурсу дизеля A-OIM (A-4I) являются пары трения цилиндрово-поршневой группы "первое поршневое кольцо - канавка поршня", предельный совместный износ которых не должен превышать 0,5 мм за 3000 ч работы дизеля; фактически он достигает 1,5 мм и более.
Обогащение воздуха на впуске газоконденсатом, наряду с улучшением мощностно-экономических показателей, приводит, как было показано в главе 3, к некоторому увеличению максимального давления газов в цилиндре Р , что, в свою очередь, влияет на теплонапря-женность деталей ЦПГ. С другой стороны, испарительное охлаждение топливо-воздушного потока (главы 2 и 3) снижает теплонапряженность деталей ЦПГ, что несколько компенсирует возможное снижение ресурса дизеля от форсирования. Поскольку детальное изучение этой связи составляет предмет отдельных исследований, необходимое повышение ресурса критической пары может быть достигнуто путем дополнительных технологических операций обработки канавки поршня и торца кольца.
Способы повышения износостойкости ряда деталей цилиндрово-поршневой группы двигателей различного назначения, в том числе технологического и конструктивного характера, описаны в главе І. В ряду этих методов перспективными в плане решения задачи повышения износостойкости сопряжения "первое поршневое кольцо - канавка поршня" может оказаться метод вибронакатывания (применительно к чугунному поршневому кольцу), и метод лазерного облучения плоскостей канавки алюминиевого поршня.
Так, было показано, что в ряде случаев удавалось добиться повышения износостойкости поверхностей трения путем нанесения на одну из них регулярного рельефа (вибронакатывание). При этом методе на поверхности образуются выдавленные канавки синусоидальной формы, выполняющие функции резервуаров смазки. Полагают, что при правильном подборе формы канавки и ее размеров в определенных условиях трения повышается маслоемкость поверхностей и микротвердость в области канавок, способствующие повышению износостойкости сопряжения. Другим методом повышения износостойкости трущихся деталей в условиях недостаточной смазки, получившим распространение в последнее время, является лазерное облучение. При этом методе поверхность модифицируется под действием облучения, в результате чего в местах действия луча получается мелкозернистая структура повышенной твердости, обладающая более высокой износостойкостью в сравнении с поверхностью, не подвергавшейся обработке лазером.
Оба упомянутых метода и явились основным предметом описываемого ниже исследования. Одновременно определялись влияние на износ и трение, по сравнению с маловязким маслом "индустриальное 20", газоконденсата Южно-Мубарекского месторождения, получающего применение как средство интенсификации процесса сгорания основного топлива в дизеле (см.отчет по теме № 179/77 "Исследование возможности применения газоконденсата в качестве моторного топлива при эксплуатации дизельных двигателей строительно-дорожных машин", выполненной в 1981 г. в Ташкентском автомобильно-дорожном институте).
Часть работы, относящаяся к экспериментальной оценке поведения сочетания чугун - алюминий при трении скольжения, выполнялась на малогабаритной испытательной машине, используя специально выполненные образцы материалов в условиях, принятых в лабораторных испытаниях аналогичных материалов. Поэтому вытекающие из экспериментальной части работы рекомендации (см.ниже) являются следствием сравнения результатов с полученными для сочетания шлифованного (не вибронакатанного) чугуна с необлученным алюминием.
