Улучшение пусковых характеристик дизелей специального назначения использованием масловпрыска

Повышение обороноспособности страны — одна из важнейших геополитических и социально-экономических целей Российского государства. Мероприятия, направленные на повышение технического уровня военной техники, являются частью военной доктрины Российской Федерации.

Военная техника должна отвечать комплексу военно-технических требований, вытекающих из задач оперативно-тактического использования в специфических условиях армейской эксплуатации. В основе разработки требований лежит программная цель применения конкретного вида техники в Вооруженных Силах. Военная гусеничная (колесная) машина должна обладать определенными тактико-техническими и эксплуатационными свойствами, основными из которых являются [1,2]: высокая подвижностьпостоянная боевая готовностьживучесть в условиях воздействия поражающих факторов различных видов оружияполезные вместимость и грузоподъемность.

Требуемые тактико-технические и эксплуатационные свойства машин реализуются за счет определенных выходных свойств каждого конструктивного элемента рассматриваемого объекта, в том числе силовой установки и основной ее составляющей — двигателя. Отечественное и зарубежное двигателе-строение развивается по пути повышения удельной мощности, улучшения топливной экономичности и эксплуатационных свойств дизелей. Для обеспечения подвижности ВМ силовые установки должны обладать необходимыми эксплуатационными свойствами: достаточной мощностью, приемистостью, благоприятной характеристикой крутящего момента. Боевая готовность машин в значительной степени определяется эксплуатационной надежностью дизеля, поскольку его отказ полностью лишает машину основного свойства — подвижноста. На полезную вместимость и грузоподъемность наряду с другими факторами влияют габариты и мощность силовой установки [3, 4].

Существенную роль в обеспечении боевой готовности ВМ играет время, необходимое для приведения силовых установок в рабочее состояние, на заправку ГСМ, подготовительные операции, прогрев и пуск двигателя. Основной составляющей этого времени является продолжительность пуска двигателя, которая при низких температурах окружающей среды определяет готовность боевых машин [5, 6].

Учитывая высокую насыщенность вооруженных сил РФ военными машинами и транспортными средствами с поршневыми ДВС (таблица 1), проблема улучшения пусковых характеристик дизелей ВМ является актуальной и важной, с позиции ее влияния на обеспечение боевой готовности армейских подразделений.

Таблица 1 — Боевой состав мотострелковой и танковой бригады (самоходные машины с поршневыми ДВС).

Наименование Бригада Марка двигателя мотострелковая танковая.

Танки (Т-72) 51 205 (В-84М).

БМП (БМП-2) 295 73 (УТД-20).

2СЗ «Акация» 36 36 В-59.

БМ ПТРК «Конкурс» 9 — ГАЗ-41.

БМ «Оса» 12 12 БД20К300.

БМ «Тунгуска» 6 6 В-46С1.

БМ «Стрела-Юсв» 6 6 ЯМЗ-238.

ИТОГО (без автомобилей) 415 338.

Автомобили (КамАЗ, Урал) 679 648 (КамАЗ-740, ЯМЗ-238).

Проблема пуска дизеля актуальна, в первую очередь, при пониженных температурах окружающего воздуха, так как в результате снижения температуры начала сжатия, увеличения утечек воздуха в зазоре между поршнем и цилиндром, повышения вязкости масла и, как следствие, уменьшения частоты и увеличения неравномерности прокручивания коленчатого вала холодного дизеля, понижается температура рабочего тела в конце такта сжатия до значений, при которых невозможно самовоспламенение топлива.

Исследованием проблемы пуска дизелей в различных климатических условиях, разработкой и обоснованием методов их совершенствования занимались Н. Р. Брилинг, А. И. Толстов, Д. Н. Вырубов, В. А. Купершмидт, В. И. Козлов и другие ученые.

Большая часть территории возможного применения военных машин с дизелями находится в зонах умеренно-холодного и холодного климата (рисунок 1), где средняя температура января может достигать -30 °С (по ГОСТ 16 350.

7]).

В настоящей работе рассматривается способ улучшения пусковых характеристик, заключающийся в снижении потерь энергии рабочего тела на такте сжатия за счет впрыскивания масла в камеру сгорания. При этом, уплотняя зазор между поршнем и гильзой цилиндра, масло смазывает трущиеся поверхности цилиндропоршневой группы, уменьшает сопротивление прокручиванию коленчатого вала и снижает износ деталей.

Рисунок 1 — Микроклиматические районы земного шара.

Повышение технического уровня систем пуска в дизелях снижением утечек рабочего тела и момента сопротивления при прокручивании коленчатого вала за счет совершенствования способов герметизации пространства сжатия недостаточно полно изучено и является актуальной темой диссертационного исследования.

Цель настоящего исследования заключается в улучшении пусковых характеристик дизелей использованием впрыскивания масла в камеру сжатия для повышения боеготовности военных машин.

Для достижения цели научно обоснована и экспериментально подтверждена эффективность перспективного технического решения по герметизации пространства сжатия использованием впрыскивания масла перед прокручиванием коленчатого вала дизеля.

Научная новизна основных результатов диссертации заключается в следующем;

I. На основе системы дифференциальных уравнений массового и энергетического баланса создана математическая модель оценки состояния рабочего тела в нестационарных процессах его изменения, в том числе вследствие утечек в зазор между поршнем и цилиндром. При этом для учета влияния сложной геометрии зазора, наличия в нем масла и характера гидродинамических процессов вводится понятие «эквивалентного зазора».

2. Установлены закономерности, связывающие: максимальную температуру рабочего тела в камере сжатия с количеством масла, впрыскиваемого в цилиндр, частотой вращения и температурой окружающей среды, а также величину «эквивалентного» зазора между поршнем и цилиндром с количеством впрыскиваемого масла и частотой вращения коленчатого вала дизеля.

3. На основе экспериментальных данных установлены количественные закономерности влияния параметров и условий впрыскивания масла в камеру сжатия на состояние рабочего тела и пусковые характеристики дизеля повышенной размерности.

Практическая ценность работы заключается в:

1. Разработанных расчетных методах прогнозирования пусковых характеристик дизелей типа В-2 с системой масловпрыска.

2. Научно обоснованных рекомендациях по выбору рациональных конструктивных и регулировочных параметров системы масловпрыска.

На защиту выносятся перечисленные выше основные результаты, имеющие научную новизну и практическую ценность.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются: ООО ГСКБ «Трансдизель», ОАО «НИИ автотракторной техники», на кафедре «Специальные и дорожно-строительные машины» Южно-Уральского государственного университета", Челябинским высшим военным автомобильным командно-инженерным училищем.

Реализация результатов работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях 2004.2006 гг., 2005.2008 гг ЧВВАКИУ, 2006.2008 гг. ОАО «НИИ АТТ», 4-ой Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы» (г. Красноярск,.

2006 г.), XIV Международном конгрессе двигателестроителей (Украина, Харьков — 2009 г.).

Содержание диссертации. Диссертационная работа, рассматривающая вопросы совершенствования пусковых характеристик дизелей, состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений.

5.4. Выводы и рекомендации экспериментального исследования.

Анализ данных экспериментального исследования дизеля с системой воздушного запуска и впрыскиванием масла в цилиндр позволяет констатировать:

1. Подача масла М12В2РК в цилиндры дизеля при температуре -20 °С с помощью устройства впрыскивания масла способствует уплотнению зазора «поршень-цилиндр» при пуске. Увеличение выноса масла на каждые 50 г приводит к росту максимального давления сжатия на 0,2 МПа.

2. Вынос масла из резервуара УМВ при температуре -20 °С составляет 65.70 г за 5 с прокручивания коленчатого вала дизеля, что приводит к увеличению давления в цилиндре на 0,1 МПа. Вынос масла 100. 140 г обеспечивается за 10 с прокручивания коленчатого вала, при этом давление в цилиндре дизеля увеличивается на 0,2. 0,25 МПа.

3. Максимальное давление сжатия достигается при выносе масла 100. 120 г (10. 12 г/цил), дальнейшее увеличение количества впрыскиваемого масла нецелесообразно. Рекомендуется уменьшить объем резервуара УМВ до 170 см³ из условия впрыскивания наименьшего необходимого количества масла.

4. Впрыскивание масла в цилиндр способствует росту максимальной температуры сжатия на 18.22°С. В результате минимальная пусковая частота вращения коленчатого вала, (при t0 = - 20 °C и прочих равных условиях), может быть понижена на 5. 10 мин" 1.

5. Дизель В-84 с применением УМВ пускается на масле М-12В2РК при температуре — 6.7 °С, а без применения УМВ — - 2 °C.

6. На вынос масла из резервуара и его впрыскивание в цилиндры дизеля значительное влияние оказывает вязкость масла. При температуре окружающей среды ниже -25 °С масло М-12В2Рк становится настолько вязким, что в цилиндры практически не выносится.

7. Заполнение резервуара УМВ маслом через клапан в состоянии поставки при температуре -20 °С происходит с опозданием на 30 с после создания давления 0,4 МПа в ГММ. Увеличение диаметра жиклера с 3 до 4,5 мм и хода клапана с 2 до 6 мм привело к опережению заполнения объема маслом на 8. 10 с относительно момента создания давления масла 0,4 МПа в ГММ.

8. Проведенные 16 включений УМВ подтвердили стабильность его функционирования по выносу масла и равномерности распределения его по цилиндрам дизеля.

9. Установлены закономерности, связывающие: максимальную температуру рабочего тела в камере сжатия с количеством масла, впрыскиваемого в цилиндр, частотой вращения и температурой окружающей среды, а также величину «эквивалентного» зазора между поршнем и цилиндром с количеством впрыскиваемого масла и частотой вращения коленчатого вала дизеля.

Заключение

.

Совершенствование силовых установок военных машин идет в направлении повышения мощности, топливной экономичности, надежности, улучшения таких эксплуатационных качеств как сокращение продолжительности и повышение надежности пуска, особенно в экстремальных климатических условиях.

Одним из эффективных способов улучшения пусковых характеристик, как показало выполненное исследование, является использование впрыскивания смазочного масла в цилиндры дизеля перед осуществлением воздушного запуска для уплотнения внутрицилиндрового пространства и создания благоприятных условий для воспламенения топлива. Оптимизация параметров процесса впрыскивания масла и конструкции используемого для этой цели устройства осуществимо при наличии математической модели, адекватно описывающей протекающие внутри цилиндра процессы. Существующие модели рабочего цикла необходимо дополнить зависимостями, учитывающими утечки рабочего тела через поршневые кольца при прокручивании коленчатого вала при наличии и отсутствии впрыснутого смазочного масла. Результаты расчетно-теоретических исследований становятся очевидными после их экспериментальной проверки на дизеле в стендовых условиях, имитирующих реальные условия эксплуатации силовых установок военных машин. В этих целях в работе использованы современные экспериментальное оборудование, холодильная камера, специальная измерительная аппаратура и методики исследования в соответствии с требованиями государственных стандартов.

В процессе выполнения диссертационной работы получены новые теоретические и практические результаты, оценена эффективность опытной конструкции устройства для впрыскивания масла в цилиндры дизеля, что позволило рекомендовать достигнутые результаты к использованию в организациях, производящих, эксплуатирующих дизели и учебных заведениях, готовящих специалистов соответствующего профиля [80].

В результате выполненного диссертационного исследования:

1. Предложена математическая модель состояния рабочего тела в камере сжатия при пуске дизеля подачей в цилиндры сжатого воздуха в виде системы дифференциальных уравнений массового и энергетического баланса рабочего тела с учетом утечек воздуха через зазор между поршнем и цилиндром, геометрических параметров зазора, наличия в нем масла и характера гидродинамических процессов, используя понятие «эквивалентный зазор».

2. В результате расчетно-теоретического анализа пусковых характеристик дизеля с впрыскиванием масла с использованием разработанной математической модели определено:

• впрыскивание масла в цилиндры позволяет осуществить пуск дизеля при температуре окружающей среды примерно на 7 °C ниже минимально допустимой по техническим условиям;

• при уменьшении эквивалентного зазора на 0,01 мм максимальная температура сжатия увеличивается на 12,5. 15,0 °С, максимальное давление сжатия повышается на 148. 153 кПа. Температура окружающей среды, при которой может быть обеспечен надежный пуск дизеля, уменьшается на 14.17 °С.

• влияние термического сопротивления масляной пленки на стенках камеры сжатия и давления воздуха после воздухораспределителя не оказывает существенного влияния на процессы в камере сжатия при прокручивании коленчатого вала дизеля сжатым воздухом и может не учитываться при расчетном анализе.

3. Установлены закономерности, связывающие максимальную температуру рабочего тела в камере сжатия с количеством масла, впрыскиваемого в цилиндр, частотой вращения и температурой окружающей среды, а также величину «эквивалентного» зазора с количеством впрыскиваемого масла и частотой вращения коленчатого вала дизеля.

4. Анализ результатов экспериментального исследования процесса прокручивания коленчатого вала и пуска дизеля В-84М, оборудованного масловпрыском и ПВВ, в «климатической камере» в условиях пониженных температур окружающей среды показал:

• подача масла М-12В2Рк в цилиндры дизеля при температуре -20 °С с помощью устройства масловпрыска способствует уплотнению зазора «поршень-цилиндр» при пуске. Увеличение выноса масла на каждые 50 г приводит к росту максимального давления сжатия на 0,2 МПа;

• вынос масла из резервуара УМВ при температуре -20 °С составляет 65.70 г за 5 с прокручивания коленчатого вала дизеля. Это приводит к увеличению давления воздуха в цилиндре на 0,2 МПа. Вынос масла в количестве 100. 140 г обеспечивается за 10 с прокручивания коленчатого вала;

• максимальное давление сжатия достигается при выносе масла 10. 12 г/цилиндр. Дальнейшее увеличение количества впрыскиваемого масла не приводит к увеличению максимальных давлений и температур сжатия;

• впрыскивание масла способствует росту максимальной температуры сжатия на 18. 22 °C. В результате минимальная частота вращения коленчатого вала, при которой может быть осуществлен пуск дизеля (при to = -20 °С и прочих равных условиях), может быть понижена на 15 мин" 1;

• дизель В-84М с применением УМВ надежно пускается на масле М-12В2РК при температуре окружающей среды -5.7 °С, а без применения УМВ — при -2 °С;

• на вынос масла из резервуара и его впрыскивание в цилиндры дизеля значительное влияние оказывает вязкость масла. При температуре окружающей среды ниже -25 °С масло М-12В2Рк в цилиндры практически не выносится;

• заполнение резервуара УМВ маслом через штатный клапан при температуре -20 °С происходит с опозданием на 30 с после создания давления 0,4 МПа в ГММ;

• величина падения давления пускового воздуха при проходе через устройство масловпрыска не превышает 0,6 МПа;

• проведенные 16 включений УМВ подтвердили стабильность его функционирования по выносу масла и равномерности распределения его по цилиндрам.

5. Для улучшения пусковых характеристик дизеля типа В-2 (ЧН15/18) с устройством масловпрыска рекомендуется:

•J.

• уменьшить объем резервуара УМВ до 170 см в связи с нецелесообразностью увеличения количества впрыскиваемого масла более 10. 12 г/цилиндр;

• увеличение диаметра жиклера с 3 до 4,5 мм и хода клапана с 2 до 6 мм для обеспечения опережения заполнения объема УМВ маслом на 8. 10 с относительно момента создания давления масла 0,4 МПа в ГММ;

• применение подогрев масла в системе масловпрыска при температуре окружающего воздуха ниже -25 °С для улучшения его выноса в цилиндры.