Способ повышения экологичности и экономичности автотракторных двигателей
Оценка технического состояния цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) двигателей как правило производится по двум параметрам: расходу масла на угар, расходу картерных газов. Величины этих параметров зависят от степени износа деталей ЦПГ и степени отклонения их макрогеометрии от правильной геометрической формы.
Базовой деталью ЦПГ автотракторных двигателей является "мокрая гильза" с фланцевой посадкой в верхней части и резиновой уплотнительной манжетой в нижней с гарантированными зазорами между верхними и нижними поясами гильзы и блока. Для нормальной работы двигателя недостаточно обеспечения одной лишь прочности гильзы. Она должна обладать способностью сохранять в процессе сборки и эксплуатации двигателя правильность своих форм.
Большинство блоков цилиндров собирают по схеме несущих рубашек. При такой схеме сборки перемычки блока между цилиндрами деформируются больше, в результате чего изгибается бурт гильзы, что приводит к овализации цилиндра. Максимальная овализация цилиндра происходит в зоне бурта, а большая ось овала в этой зоне располагается в плоскости качания шатуна. Важно отметить, что характер деформации цилиндров после сборки блока аналогичен характеру деформации тонкостенного цилиндра, сжатого двумя диаметрально противоположными силами, приложенными у верхнего торца. При этом искажение геометрии цилиндра в пределах упругости происходит по всей длине, поверхность цилиндра остаётся линейчатой, а большие оси овалов у верхнего и нижнего торцов взаимно перпендикулярны. Образующие цилиндра, оставаясь прямолинейными, поворачиваются вокруг собственных точек, остающихся при этом неподвижными. Эти точки образующих образуют окружность - "нейтральное сечение", расстояние до которого от верхнего торца зависит от соотношения размеров гильзы с её диаметром /1/. Так, например, в цилиндре двигателя ЯМЗ "нейтральное сечение" находится на расстоянии 170…190 мм. от верхнего торца гильзы /2/. Аналогичный характер деформации гильзы и тонкостенной трубы раскрывает возможности управления овальностью цилиндров путём обжатия бурта гильзы. Таким образом можно уменьшить не только монтажную овальность, но и эксплуатационную, т.к. эксплуатационная овальность в зоне работы верхнего компрессионного кольца имеет аналогичный характер. При этом максимальная овализацмя цилиндра имеет место в зоне остановки верхнего компрессионного кольца в верхней мёртвой точке поршня. Известно, что при значениях максимальной овальности цилиндров 0,08…0,1 мм. двигатель эксплуатировать экономически нецелесообразно из-за повышенного расхода масла на угар, повышенной токсичности отработавших газов (ОГ) и картерных (КГ). При такой овальности гильзы двигателей КамАЗ выбрасываются, а гильзы двигателей ЯМЗ растачиваются на ремонтный размер.
Управление овальностью цилиндров в процессе эксплуатации оперативно можно выполнить предлагаемым способом компенсации овальности цилиндров (Способ КО).
Сущность способа КО заключается в установке компенсаторов, выполненных в виде пластин, в зазор между цилиндрическими поверхностями бурта гильзы и расточки в блоке под бурт с натягом. При этом ось симметрии компенсаторов совпадает с большей осью овала в зоне остановки верхнего компрессионного кольца.
Очень важно отметить, что более рациональное применение способа КО возможно при условии, когда расстояние от верхнего компрессионного кольца в нижней мёртвой точке поршня до верхнего торца гильзы не более расстояния от "нейтрального сечения" до верхнего торца гильзы /3/. Так, применительно к двигателю МТЗ это условие выполняется, а для двигателей ЯМЗ, КамАЗ, ЗиЛ рекомендуется незначительное изменение толщины бурта.
Таким образом способ КО позволяет снизить как технологическую, так и эксплуатационную овальность в цилиндрах до уровня, не превышающего предельно допустимого значения овальности цилиндров после сборки и поддерживать величину максимальной овальности в заданных пределах в процессе эксплуатации.
Бесспорно, что применение способа КО улучшает гидромеханические характеристики сопряжения "поршень-цилиндр" и тем самым снижает, расход масла на угар, механические потери, шум.
Результаты стендовых и эксплуатационных испытаний двигателей ЯМЗ, КамАЗ, ЗиЛ по оценке снижения расхода масла на угар способом КО показали, что уменьшение овальности со 100 до 20 мкм. позволяет снизить расход масла на угар на 25-30% /2/. Оценка способа КО по снижению расхода КГ проводилась на 11-ти двигателях ЯМЗ-236. Материалы обработки экспериментальных данных овальности и расхода КГ до и после КО с разбивкой по интервалам пробега представлены в таблице 1. Экспериментально установлено, что снижение овальности с 80 до 20 мкм. позволило снизить количество КГ более чем в четыре раза.
Таблица 1
| Диапазон изменения пробега, тыс.км. | До компенсации | После компенсации | ||
|---|---|---|---|---|
| Овальность.мкм, | Расход картерных газов, м3 /час | Овальность, мкм. | Расход картерных газов,м3/час | |
| 0…50 | 10…25 | 0,9…1,3 | 10…15 | 0,9…1,3 |
| 50…100 | 10…30 | 1,3…1,8 | 10…20 | 1,3…1,8 |
| 100…150 | 30…40 | 1,8…3,3 | 10…20 | 1,3…1,8 |
| 150…200 | 40…60 | 3,3…4,4 | 10…20 | 1,3…1,8 |
| 200…250 | 60…70 | 4,4…5,3 | 10…20 | 1,3…1,8 |
| 250…300 | 60…80 | 5,3…6 | 10…20 | 1,3…1,8 |
Таблица 2
| До компенсации овальности | После компенсации овальности | |||
|---|---|---|---|---|
| Величина максимальной овальности в цилиндрах №1-8, мкм. | Концентрация СО, NO2 и гексана, об.% | Величина максимальной овальности в цилиндрах №1-8, мкм. | Концентрация СО, NO2 и гексана, об.% | |
| КамАз-740 | 40, 25, 20, 80, 50, 50, 20, 25 |
СО - 0,16 NO2 -0,010 Гекс - 0,033 |
10, 25, 20, 15, 10, 15,20, 25 |
СО - 0,13 NO2-0,006 Гекс- 0,026 |
| ----- ----- ----- | 80, 50, 20, 50, 50, 40, 40, 15 |
СО - 0,12 NO2 -0,008 Гекс-0,0166 |
20, 15, 20, 20, 20,10, 20, 15 |
СО - 0,09 NO2- 0,007 Гекс-0,0125 |
| ----- ---- ----- | 20, 15, 40, 20, 20, 15, 20 |
110 CO -0,10 NO2- 0,008 Гекс- 0,0286 |
20, 15, 10, 20, 20, 20, 15, 20 |
CO -0,07 NO2 - 0,006 Гекc- 0,0218 |
| ЗиЛ-130 | 40, 50, 50, 20, 40, 15, 20, 50 |
CO- 0,25 NO2- 0,016 Гекс- 0,0374 |
15, 15, 10, 20 15, 15, 20, 10 |
CO -0,15 NO2 -0,010 Гекс- 0,0224 |
Способ КО позволяет улучшить качество протекания рабочего процесса, а, следовательно, и снизить токсичность ОГ и КГ. Способ был опробован на снижение СО, NO2, гексана на трёх двигателях КамАЗ и одном двигателе ЗиЛ-130. Данные таблицы 2 показывают, что уменьшение средней максимальной овальности цилиндров в 4-ёх или 5-и цилиндрах исследуемых двигателей с 50…70мкм. до 10…20мкм. позволяет снизить концентрацию указанных вредных веществ в ОГ на 25-30%.. Эффективность способа была бы выше при больших значениях овальности в цилиндрах и при овализации большего числа цилиндров. Как известно, существует тесная взаимосвязь между торцовым зазором верхнего компрессионного кольца и расходом картерных газов и масла на угар. Применение способа КО улучшает не только качество сопряжения кольца с цилиндром, но и с поршнем, снижая интенсивность износа в сопряжении "поршневая канавка -верхнее компрессионное кольцо". Таким образом применение способа в целом способствует улучшению работы трущихся пар ЦПГ, увеличению ресурса её деталей, сокращению расхода запасных частей ЦПГ
Оригинальность способа заключается в том, что он раскрывает возможности непосредственного регулирования овальности цилиндров без снятия двигателя с эксплуатации и без демонтажа гильз из блока. Способ не требует каких-либо изменений конструкции двигателя. После применения КО не требуется длительная приработка трущихся пар, т. к. при этом не производится непосредственное воздействие на зеркало цилиндра и положение гильз в блоке не нарушается. Регулировка овальности в одном блоке при снятых головках блока выполняется за один час, что свидетельствует об оперативности способа КО
Применение КО позволяет усовершенствовать систему текущих ремонтов и сократить количество капитальных ремонтов. С целью снижения трудоёмкости выполнения КО её проведение целесообразно приурочить к любому снятию головок блока, например, к замене прокладок под головками блока.
Дополнительные затраты на организацию применения способа КО пренебрежимо малы по сравнению с экономическим эффектом, который можно получить за счёт снижения ущерба от повышенной токсичности двигателей, за счёт экономии ГСМ, снижения расходов на ремонт.
Сегодня содержание грузовых и автобусных парков в работоспособном и экологически чистом состоянии за счёт КР и за счёт ужесточения технологических допусков на сборку двигателей - реально не выполнимая задача. Нереально ожидать массового поступления на отечественный рынок автомобилей, соответствующих требованиям Правил ГЭК ООН (Евро-3, Евро-4) или постановки нейтрализаторов на все автомобили.
Выполнение комплекса мер, связанных с внедрением способа КО в автотранспортных предприятиях является легко выполнимой задачей.
Способ опробован в десятках автотранспортных предприятий республик СНГ и Прибалтики, в том числе Минскгрузавтотранс, Одессаавтотранс, Самараавтотранс, АвтоВАЗтранс, Севертюменьавтотранс, Якутавтотранс.
Новизна способа подтверждена тремя авторскими свидетельствами и одним патентом в том числе. Возможно предположить, что способ КО целесообразно применять и на двигателях европейских моделей с целью снижения эксплуатационной овальности. Известно что, с этой целью в двигателях Mercedes Benz согласно ТУ, гильзы разворачиваются на 90 градусов через 380 тыс. км. Бесспорно, способ КО эффективнее и дешевле.
Литература
- Билик Ш.М. Макрогеометрия деталей машин.: Машиностроение, 1973. 343с.
- Головатенко А.Г. Повышение технико-экономических и ресурсных показателей автотракторных двигателей путём компенсации овальности цилиндров: дис…канд. техн. наук. Новосибирск, 1994, 146 с.
- Патент 2052147 (СССР). Двигатель внутреннего сгорания // Головатенко В.Г. и др.