Способ контроля герметичности впускного тракта дизельного двигателя

Способ контроля герметичности впускного тракта дизельного двигателя

Надёжная и долговечная работа двигателей внутреннего сгорания в значительной степени зависит от герметичности их впускного воздушного тракта. К герметичности впускного воздушного тракта двигателей бронетранспортёров предъявляются высокие требования. Исследованиями [1] установлено, что наиболее опасными с точки зрения износа деталей двигателя являются абразивные частицы пыли размером 15…30 мкм для узла цилиндр-поршневое кольцо и 5…15 мкм для узла подшипник коленчатого вала.

Нарушение герметичности впускного воздушного тракта, как правило, встречается в местах, где патрубки соединяются между собой при помощи резиновых рукавов (разрушение резиновых рукавов и уплотнений, ослабление стяжных хомутов), из-за негерметичности сварных швов патрубков или неправильной сборки воздухоочистителей. Негерметичность уплотнений впускного воздушного тракта вызывает интенсивный подсос пыли, что, в конечном счёте, приводит к форсированному износу двигателя.

Индикатор засорённости фильтрующего элемента воздухоочистителя контролирует исправность его работы. Однако на бронетранспортёрах БТР-80 контроль герметичности впускного тракта двигателей не предусмотрен. Необходимость системы контроля герметичности впускного воздушного тракта дизельного двигателя совершенно очевидна. Двигатели бронетранспортеров значительную часть времени работают в условиях большой запыленности окружающего воздуха.

При движении одиночной машины по пыльной грунтовой дороге в каждом кубическом метре воздуха, поступающего к воздухоочистителю двигателя, содержится до 1—2 граммов пыли. Когда боевая машина движется в колонне, запыленность воздуха достигает 2,5 г/м³. Следовательно, если двигатель потребляет за час работы 2000 м³ воздуха, то к его воздухоочистителю за это время поступает до 5 кг пыли [1].

Дорожная пыль содержит частицы кварца, твердость которых не уступает твёрдости стали, поэтому попадание пыли с воздухом в двигатель вызывает его форсированный износ. Воздушный фильтр установлен в отделении силовой установки на нише правого четвёртого колеса, а индикатор засоренности воздушного фильтра установлен на экране воздухозаборного патрубка, шлангом и трубкой соединён с приёмной трубой (рис.1). В случае засорения воздушного фильтрующего элемента воздухоочистителя в приёмной трубе возрастает разрежение и когда оно возрастает до 700 мм вод. ст.(0,07 кгс/см²) индикатор засорённости фильтрующего элемента 3 срабатывает, при этом сигнальный красный флажок закрывает окно индикатора и не открывает его после остановки двигателя, что указывает на необходимости обслуживании воздушного фильтра [2]. Индикатор засорённости фильтрующего элемента 3 системы питания двигателя воздухом позволяет контролировать только степень загрязнённости самого фильтрующего элемента, а негерметичность впускного воздушного тракта в силу своих конструктивных особенностей он контролировать не может. Более того, наличие разгерметизации практически делает индикатор засорённости фильтрующего элемента системы питания двигателя воздухом совершенно неработоспособным. Прибор установлен на наклонном боковом листе корпуса бронетранспортёра справа от сидения командира боевой машины. Корпус прибора ввёрнут в вертикальном положении в специальный колпак, вваренный в корпус машины. Согласно инструкции по эксплуатации бронетранспортёра БТР-80 прибор контроля избыточного давления включается в работу вывёртыванием винта до предела при включенной ФВУ с подачей воздуха через ФПТ.

При нормальном избыточном давлении 0,4 кгс/см² в обитаемых отделениях шарик должен находиться в верхнем положении (прижат к верхнему ограничителю). Шарик является весьма чувствительным элементом прибора, который уже срабатывает при избыточном давлении при 0,0035кгс/см² [2] и его положение определяется свойствами. Аэродинамические свойства шарика определяются аэродинамическими скоростью витания u, коэффициентом аэродинамического сопротивления k и коэффициентом парусности kп.

В дифференциальной форме уравнение движения шарика, находящегося под воздействием вертикального воздушного потока, будет иметь следующий вид:

при движении вверх mdu/ut = R — G,

при движении вниз mdu/ut = G — R,

где: u — относительная скорость, м/с;

G -сила тяжести шарика, Н;

R — сила аэродинамического сопротивления, Н.

R = kсFu2.

где: с — плотность воздуха, кг/м³;

F — площадь проекции шарика на плоскость, перпендикулярную вектору скорости воздушного потока (Миделево сечение), м2.

Рис. 1. Условие нахождения шарика во взвешенном состоянии

При скорости витания (G = R), шарик будет находиться во взвешенном состоянии (П.В.С), а при скорости воздушного потока u, равной критической скорости us потока, он прижмётся к верхнему ограничителю стеклянной трубки.

Исследования аэродинамических параметров впускного воздушного тракта двигателя проводились при помощи прибора тягонапоромера марки НМП-100 ГОСТ 2648–83 по двум схемам (рис.2):

• > тягонапоромер шлангом 18 подсоединён к штуцеру 19 патрубка 14 подачи воздуха к турбокомпрессорам (рис. 2 а);
• > тягонапоромер шлангом 2 подсоединён к индикатору засорённости фильтрующего элемента 3 (рис. 2 б);

Рис. 2. Принципиальная схема исследования разрежения впускного воздушного тракта двигателя

1 — воздушный фильтр; 2 — шланг соединения прибора с индикатором засорённости Ф.Э.; 3 — индикатор засорённости Ф.Э.; 4 — приёмная труба; 5 и 17 — воздуховоды; 6 и 12 — хомуты; 7-трубка шланга индикатора; 8 — защитный колпак воздухозаборной трубы; 9-хомут крепления фильтра; 11, 13, 15 и 16 — соединительные шланги; 14-патрубок подачи воздуха к турбокомпрессорам; 18 — соединительный шланг; 19 — штуцер патрубка подачи воздуха к турбокомпрессорам; 20? вакуумметры.

Результаты проведённых исследований обеим схемам оказались совершенно идентичными и представлены на рисунке 3.

Экспериментальные исследования впускного воздушного тракта двигателя бронетранспортёра БТР-80 показали, что при минимальном числе оборотов холостого хода шарик прибора постоянно находился в положении нижнего ограничителя (П.Н.О.). При числе оборотов коленчатого вала выше 1950±50 об/мин. шарик прибора с положения нижнего ограничителя (П.Н.О.) поднимался вверх и переходил во взвешенное состояние (П.В.С.), а при дальнейшем увеличении числа оборотов шарик поднимается ещё выше и оказывался постоянно прижатым к верхнему ограничителю (положение верхнего ограничителя П.В.О.).

Рис. 3 Зависимость величины разрежения впускного воздушного тракта двигателя от режима его работы.

Таким образом, верхнее положение шарика прибора (П.В.С., П.В.О.) при оборотах коленчатого вала свыше 1950±50 об/мин. указывает на герметичность системы впускного воздушного тракта двигателя, а нижнее положение шарика (П.Н.О.) соответственно на её разгерметизацию и подсос неочищенного воздуха, вызывающего форсированный износ двигателя.

Разработка и установка дополнительной системы контроля герметичности впускного воздушного тракта на двигателе бронетранспортёра БТР-80 решает проблему долговечности, но усложняет его конструкцию, увеличивает металлоёмкость машины. Такое конструктивное решение нельзя признать рациональным.

С точки зрения ТРИЗ предпочтительнее создавать идеальное конструктивное техническое решение т. е. новой системы как таковой нет, а функция её выполняется [3]. Нами предлагается контролировать герметичности впускного воздушного тракта двигателя по положению шарика штатного прибора ФВУ (рис. 4,5), предназначенного для контроля избыточного давления воздуха в обитаемых отделениях бронетранспортёра.

Рис. 4. Принципиальная схема системы контроля избыточного давления внутри обитаемых отделений и герметичности впускного воздушного тракта двигателя.

После введённых конструктивных изменений принципиальная схема прибора контроля избыточного давления и герметичности впускного воздушного тракта двигателя выглядит следующим образом (рис. 5):

Рис. 5. Прибор в режимах контроля герметичности впускного воздушного тракта и избыточного давления внутри обитаемых отделений.

1-колпак специальный; 2-броневой лист корпуса машины; 3-кронштейн; 4-винт; 5-гайка; 6-штуцер верхний; 7-тройник; 8-штуцер нижний; 9-ограничитель верхний; 10 трубка стеклянная; 11-корпус прибора; 12- шарик; 13- нижний ограничитель; 14-пробка прибора; 15- цоколь лампы; 16-лампа; 17- кольцо уплотнительное; 18 — штуцер крепления шланга, идущего к аспирационной части впускного тракта; 19 — клапан крана; 20- гайка штуцер корпуса кранов; 21- шток; 22 — рукоятка крана; 23- метки на штоке; 24-метка на корпусе крана; 25-корпус крана; 26 — соединительная муфта крана.

Для контроля герметичности впускного воздушного тракта двигателя необходимо прибор 20 (рис.4а) посредством штуцера соединить шлангом 18 со штуцером 19 впускного воздушного патрубка 14 турбокомпрессоров или шлангом 2 с индикатором 3 засорённости фильтрующего элемента (рис. 4б), а сам прибор соединить с краном 25, позволяющим устанавливать три стандартных положения:

• >исходное положение (рис.5а), при котором винт 4 перекрыл отверстие для выхода воздуха из обитаемых отделений в специальном колпаке 1 и клапаном 19 кран 25 закрыт, что соответствует нерабочему состоянию прибора;
• >режим контроля герметичности впускного воздушного тракта, при котором клапаном 19 кран 20 прибора открыт (рис.5б);
• >режим контроля избыточного давления внутри обитаемых отделений, при котором клапаном 19 кран 25 закрыт, а отверстие в специальном колпаке 1 при вывернутом до отказа винте 4 открыто (рис. 5в):

Для настройки контроля герметичности впускного воздушного тракта двигателя необходимо (Рис. 5б.):

• > установить новый фильтрующий элемент воздухоочистителя;
• >визуально проверить исправность и герметичность системы впускного тракта двигателя;
• > при выявлении неисправности устранить их;
• > осуществить пуск двигателя и рукояткой ручного управления подачей топлива установить двигатель на режим 1950±50 об/мин.;
• > включить подсветку прибора (лампа 16);
• > ввернуть винт 4 до упора в кронштейн 3, что исключит связь внутренних каналов прибора с атмосферой (рис.5б);
• > поворотом рукоятки 22 установить клапан 19 крана в положение «Открыто», при котором прямоугольная метка 23 на штоке клапана совпадёт с меткой 24 на корпусе крана, при этом шарик 12 прибора покинет нижний ограничитель 13 и будет находиться во взвешенном состоянии (П.В.С.).
• > рукояткой 22 установить клапан 19 крана в положение «Закрыто», при котором крестообразная метка 23 на штоке клапана совпадёт с меткой 24 на корпусе прибора, а шарик в связи с отсутствием движения воздуха опустится вниз и займёт положение нижнего ограничителя (П.Н.О), что является заключительным этапом настройки прибора.
• > выключить подсветку прибора (лампа 16);

Таким образом, прибор приведён в исходное состояние (рис. 5 а).

Примечание:

Шток 21 вверх или вниз не перемещается, а совершает только вращательное движение. Совпадение меток 23 на штоке 21 с меткой 24 на корпусе прибора означает закрытие или открытие крана, что определяет величину аэродинамического сопротивления в стандартных положениях прибора.

Для контроля герметичности впускного воздушного тракта двигателя необходимо прибор из исходного состояния (рис.5а) перевести в положение (Рис. 5б.):

• >визуально проверить исправность и герметичность системы впускного воздушного тракта двигателя;
• > при выявлении неисправности устранить их;
• > осуществить пуск двигателя и рукояткой ручного управления подачей топлива установить двигатель на режим 1950±50 об/мин.;
• > включить подсветку прибора (лампа 16);
• > поворотом рукоятки 22 установить клапан 19 крана в положение «Открыто», при котором прямоугольная метка 23 на штоке клапана совпадёт с меткой 24 на корпусе крана, а шарик 12 прибора покинет нижний ограничитель 13 и будет находиться во взвешенном состоянии (П.В.С.). (рис. 8 б); двигатель бронетранспортёр герметичность
• > визуально установить факт нахождения шарика прибора во взвешенном состоянии (П.В.С.), что указывает на герметичность системы впускного воздушного тракта двигателя, а нижнее положение шарика (П.Н.О.) соответственно на её разгерметизацию и подсос неочищенного воздуха, вызывающего форсированный износ двигателя;
• > при выявлении неисправности устранить их;
• > снова поворотом рукоятки 22 установить клапан 19 крана в положение «Открыто», при котором прямоугольная метка 23 на штоке клапана совпадёт с меткой 24 на корпусе крана;
• >по положению шарика 12 прибора находящегося во взвешенном состоянии (П.В.С.), (рис.5б) убедиться в герметичности впускного воздушного тракта;
• >затем рукояткой 22 установить клапан 19 крана в исходное положение «Закрыто» (рис.5а);
• > выключить подсветку прибора (лампа 16);
• > при выявлении неисправностей при К.О. устранить их и произвести контроль герметичности впускного воздушного тракта двигателя, согласно приведённым выше пунктам.

Для контроля избыточного давления внутри обитаемых отделений необходимо (рис. 5в):

• >визуально проверить исправность и герметичность системы впускного воздушного тракта двигателя;
• > при выявлении неисправности устранить их;
• > осуществить пуск двигателя и рукояткой ручного управления подачей топлива установить двигатель на холостой режим 600±50 об/мин.;
• > включить подсветку прибора (лампа 16);
• > Вывернуть винт 4 до отказа (до упора в кронштейн 3, рис. 5 в), при котором отверстия в пробке 14, стеклянной трубке 10, корпусе 10 прибора и отверстие в специальном колпаке 1 образуют единый канал для выхода воздуха из обитаемых отделений в атмосферу, что предусмотрено инструкцией по эксплуатации бронетранспортёра БТР-80;
• > при выявлении неисправностей при К.О. устранить их, повторно произвести контроль избыточного давления внутри обитаемых отделений согласно приведённым выше пунктам.
• >Включить фильтровентиляционную установку (ФВУ) и визуально по положению шарика прибора (шарик должен быть прижат к верхнему ограничителю) убедиться в создании избыточного давления внутри обитаемых отделений бронетранспортёра в пределах нормы;
• > Выключить ФВУ и ввернуть винт 4 до упора в кронштейн 3, что исключит связь внутренних каналов прибора с атмосферой и обеспечит перевод прибора в исходное положение (рис. 5а);

Для использования прибора по своему штатному предназначению, как средства защиты от оружия массового поражения, т. е. установки прибора в режим контроля избыточного давления внутри обитаемых отделений достаточно из исходного положения (рис.5а) винт 4 вывернуть до отказа назад (рис.5в) при работающем двигателе на холостых оборотах и включённой ФВУ. Таким образом, объединение прибора контроля избыточного давления ФВУ с системой впускного воздушного тракта двигателя бронетранспортёра БТР-80 обеспечивает не только контроль избыточного давления внутри обитаемых отделений бронетранспортёра, но и контроль герметичности впускного воздушного тракта двигателя, а также контроль исправной работы индикатора засорённости фильтрующего элемента воздухоочистителя.

• 1. Власова А. Г. Влияние интенсивности излучения на точность измерения величин износа. Труды МВТУ им. Баумана, М., 1970, № 137, с. 135…141.
• 2. Бронетранспортёр БТР-80. Техническое описание и инструкция по эксплуатации (ТО и ИЭ). Часть I, II Издание второе. Москва. Военное издательство. МО СССР, 1989.
• 3. Альтшуллер Г. С., Злотин Б. Л., Зусман А. В., Филатов В.И.

Поиск новых идей: от озарения к технологии. (Теория и практика решения изобретательских задач). Кишинёв. «Картя Молдовеняске», 1989.