Анализ и формирование требований к системам вентиляции картера дизелей

РАЗДЕЛ I

ТРАНСПОРТ. ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

УДК 621.436

АНАЛИЗ И ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМАМ ВЕНТИЛЯЦИИ КАРТЕРА ДИЗЕЛЕЙ

С. М. Андриянов, С. В. Башегуров, Научно-технический центр ОАО «КАМАЗ», Россия, г. Набережные Челны;

Аннотация. В данной статье рассматриваются актуальные на сегодняшний момент проблемы связанные с системой вентиляции картера дизельных двигателей. Выделяются и описываются основные проблемы и пути их решения. Значительное внимание уделяется основному элементу системы вентиляции картера дизеля -маслоотделителю. В статье также представлена установка для проведения безмоторных испытаний системы вентиляции картера. Имеются данные по безмоторным и моторным испытаниям запатентованного маслоотделителя.

Ключевые слова: двигатель, система литель, охрана окружающей среды.

Введение

Около двух десятилетий назад в инструкции к двигателю внутреннего сгорания можно было прочитать примерно такое выражение: «... эффект потения двигателя допускается...». Конечно, тогда немалое количество советских автолюбителей (в большей мере, грузовиков) не очень переживало по поводу появления на головке блока или по бокам мотора масляных пятен - это было нормальное явление. Положение поменялось после появления на автомобильном рынке России автомобилей иностранного производства.

Экологические показатели дизельных двигателей регламентируются в Европе Правилами ЕЭК ООН №49 с соответствующими поправками и дополнениями. Технический регламент «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации вредных (загрязняющих) веществ» [6] требует выполнение требований Правил Российскими производителями дизелей.

Основные процессы в системе вентиляции картера

Картерные газы (КГ) содержат несгоревшее топливо и все компоненты отработавших газов. Количество КГ зависит от нагрузки. В полости картера возникает избыточное давление, которое зависит от

вентиляции картера, дизель, маслоотде-

движения поршня и от частоты вращения коленвала. Это избыточное давление устанавливается во всех связанных с полостью картера скрытых полостях (например: сливной маслопровод, картер привода газораспредели-тельного механизма и т. п.) и может привести к просачиванию масла в местах уплотнения.

Сначала КГ в смеси с моторным маслом просто выбрасывались в атмосферу. Из соображений охраны окружающей среды уже давно используются системы вентиляции картера (СВК). СВК в двигателе выполняет две основные функции. Первая связана с осаждением масла непосредственно в системе для исключения его уноса из двигателя. Посредством слива осаждённое масло возвращается в картер двигателя. Вторая заключается в обеспечении минимального увеличения (уменьшения) давления КГ в картер-ной полости (КП) относительно атмосферного (для надёжной работы уплотнений), т.е. с созданием наименьшего сопротивления от системы.

СВК и КП в двигателе взаимосвязаны. В КП КГ собираются и в виду имеющихся процессов неизбежно смешиваются с маслом. Выход из КП является входом в СВК. КП -объём пространства внутри двигателя, ограниченный внутренними поверхностями дета-

лей двигателя. Правильно сформированное и организованное КП значительно снижает на-груженность СВК.

Существуют два типа СВК [1]:

- открытая с отводом КГ из КП в атмосферу;

- закрытая с подачей отводимых КГ из КП во впускной тракт.

Сложность задачи при создании закрытой СВК состоит в том, что наличие мельчайших частиц масла в КГ, отводимых во впускную систему, приводит к закоксовыванию колеса компрессора, залипанию элементов ОНВ, что приводит к потере мощности двигателя и в конечном результате может вывести его из строя.

Производители турбокомпрессоров задают низкий допустимый уровень загрязнения маслом их продукции. Рекомендуемый предел для двигателей устанавливаемых на легковые автомобили не более 0,2 г/час, для двигателей устанавливаемых на грузовые автомобили предел не более 4 гр./час. Для достижении этого уровня требуется маслоотделитель с эффективностью отделения масла не ниже 95 % [7].

В КП движение КГ к входу в СВК сопряжено с преодолением преград в виде вращающихся деталей двигателя, поперечных стенок блока цилиндров (опор коленчатого вала). В результате всего вышеизложенного в КП присутствуют волновые явления в среде КГ, которые необходимо учитывать при подборе конструкции СВК и формирования КП [5]. При работе двигателя в КП развиваются явления

интенсивного перемешивания КГ со сливаемым с деталей двигателя маслом, вызванного вращением деталей двигателя. КГ смешиваются также с маслом, отрываемым в КП потоками КГ с зеркала масляной ванны. Процесс перемешивания масла и КГ - барботаж. Интенсивность этого процесса существенно сказывается на нагруженности СВК.

Главным понятием которым можно охарактеризовать процесс, протекающий в СВК (см. рис. 1) является - коалесценция (от лат. соа^се - стараюсь, соединяюсь), слияние капель или пузырей при соприкосновении внутри подвижной среды (жидкости, газа) или на поверхности какого-либо тела. Коалисцен-ция сопровождается укрупнением капель (пузырей) и обусловлена действием сил межмолекулярного притяжения [2]. Это самопроизвольный процесс, сопровождающийся уменьшением свободной энергии системы. Эмульсии и пены в результате коалесценции могут перестать существовать как дисперсные системы и полностью разделиться на две макрофазы: жидкость-жидкость и жидкость-газ. В жидкой дисперсионной среде коалесценция часто предшествует коагуляция [8]. Особый случай коалесценции - автогезия (самослипание), при которой в результате медленной диффузии макромолекул исчезает поверхность раздела между слипшимися частицами или соёдиненными кусками пластинчатого полимера.

Рис. 1. Коалесценция

Оценка состояния и работы системы вентиляции картера

Основные критерии количественной оценки состояния и работы СВК:

1. Расход подаваемого масла непосредственно в СВК (определяется косвенным методом, как сумма расходов унесенного и осажденного масла в системе):

ту + то

ту то

Оп = Оу + Оо = — + = (

,

где, Gy, Go - расход унесенного и осажденного масла в маслоотделителе; тп, тО и тУ - массы подаваемого (в подаваемой смеси на входе в маслоотделитель), отделенного (сливаемого из маслоотделителя) и унесенного (осевшего в фильтре) масла за фактическое время измерений (тп= тО + тУ)Д - фактическое время измерения.

2. Относительное содержание масла в КГ (нагруженность СВК):

а =

О^

О

где, G - расход КГ. 3. Эффективность СВК:

Е =-

ту + тО

- * 100 = * 100 , %

Все выше изложенное влечет за собой создание качественно новых элементов СВК, которые бы подходили для данной системы и обладали при этом хорошей эффективностью и работоспособностью, в данном случае это запатентованный маслоотделитель [3, 4] представленный ниже на рисунке 2:

Рис. 2. Схем маслоотделителя: 1 - направление потока КГ из маслозаливной горловины; 2 - первая ступень маслоотделения; 3 - вторая ступень маслоотделения; 4 - сетка расположенная на внутренней стенке корпуса маслоотделителя; 5 - направление потока отделенного от КГ масла; 6 - направление потока КГ очищенных от масла (в систему впуска); 7 - следящий клапан, препятствующий образованию разрежения в картерном пространстве

Проведение испытаний

Требуется разработка так называемых замкнутых (закрытых) систем. Отработка подобных систем в натурных условиях непосредственно на двигателях достаточно дорогостоящий процесс. Подобная задача может

быть решена посредством их отработки на специальных безмоторных стендах. При испытаниях использовались устройство для создания разряжения и установка испытаний СВК, схема представлена ниже:

т

О

т

п

Рис. 3. Принципиальная схема установки испытаний СВК (пунктирными линиями обозначены дополнительные элементы стенда необходимые для испытания закрытой СВК, стрелками указано направление движения потока сжатого воздуха и его смеси с маслом): 1 - источник сжатого воздуха с постоянным давлением; 2 - кран регулирования подачи сжатого воздуха; 3 - диафрагма с фланцевым способом отбора давления (для определения расхода сжатого воздуха, стандартным сужающим устройством по ГОСТ 8.586.2-2005); 4 - микроманометр типа МИН-240(5)-1.0; 5 - имитатор КП; 6 - ёмкость для сбора масла; 7 - места измерения давления в системе (четыре точки - обозначены черным квадратом); 8 - эжектор (устройство смешения воздуха и масла); 9 - фильтр улавливания уноса масла; 10 - маслоотделитель; 11 - зажим регулирующий подачу масла в систему; 12 - емкость подачи масла; 13 - устройство для создания разряжения; 14 - водяной пьезометр; 15 - ротаметр с местными показаниями типа РМ гОсТ 13045-67; 16 - обратный клапан (лепесткового типа).

Условия проведения испытаний

1. Испытания маслоотделителя проводились на индустриальном масле ИЛС-10 ГОСТ 17479.4-87 имеющем кинематическую вязкость 24,55 мм2/с при температуре 20 С.

2. Испытания проведены при температуре окружающего воздуха в диапазоне от 20°С до 25°С.

3. Испытания проведены с подачей сжатого воздуха (имитация КГ) и с одновременной подачей масла.

Результаты испытаний: 1. Сопротивление маслоотделителя при продувке сжатым воздухом без подачи масла по результатам испытаний НТЦ ОАО» КАМАЗ» представлено в таблице 1.

Таблица 1 - сопротивление маслоотделителя

Расход КГ, л/мин Давление в картере, мм вод ст. Давление на входе в маслоотделитель, мм вод ст. Давление на сливе маслоотделитель, мм вод ст.

100 7 5 1

150 15 12 2

200 30 21 5

250 42 32 8

300 61 51 12

350 95 79 21

400 131 101 26

450 195 150 42

500 269 207 50

2. Сопротивление маслоотделителя при испытаний НТЦ ОАО»КАМАЗ» приведено в продувке сжатым воздухом без подачи масла, таблице 2. с подключением разряжения по результатам

Таблица 2 - сопротивление маслоотделителя с подключением разряжения

Разряжение, мм вод ст. Расход КГ, л/мин Давление в картере, мм вод ст. Давление на входе в маслоотделитель, мм вод ст. Давление на сливе маслоотделитель, мм вод ст.

300 100 -202 -204 -209

150 -166 -170 -178

200 -121 -130 -153

250 -83 -94 -123

300 -33 -52 -95

350 24 -3 -48

400 96 65 -10

450 207 168 49

500 393 341 180

500 100 -192 -196 -202

150 -149 -155 -167

200 -117 -124 -139

250 -81 -92 -121

300 -50 -64 -101

350 3 -22 -85

400 53 17 -64

450 140 82 -33

500 236 173 21

700 100 -137 -140 -145

150 -93 -97 -107

200 -68 -76 -92

250 -35 -49 -78

300 -11 -32 -72

350 20 -5 -65

400 50 21 -61

450 93 59 -58

500 222 151 -21

900 100 -88 -90 -94

150 -53 -55 -65

200 -18 -24 -41

250 12 -1 -26

300 38 20 -19

350 68 42 -14

400 110 80 -7

450 155 119 -1

500 214 156 6

3. Величины отделения, уноса масла мас- той СВК по результатам испытаний НТЦ ОАО лоотделителем и эффективности (3) откры- «КАМАЗ» представлены в таблице 3.

Таблица 3 - характеристика маслоотделителя открытой СВК

Расход КГ, л/мин Расход подаваемого масла в СВК, гр./мин Относительное содержание масла в КГ, гр./л Расход унесенного масла, гр./мин Давление в картере, мм вод ст. Эффективность маслоотделителя, %

100 34 0,34 0,0033 32 99,990

200 29 0,145 0,001417 76 99,995

300 31 0,103 0,000591 136 99,998

400 28 0,07 0,000667 250 99,998

450 32 0,071 0,000476 320 99,999

500 33 0,066 0,30381 400 99,084

4. Величины отделения, уноса масла маслоотделителем и эффективности (3) закры-

той СВК по результатам испытаний НТЦ ОАО»КАМАЗ» представлены в таблице 4.

Таблица 4 - характеристика маслоотделителя закрытой СВК

Расход КГ, л/мин Расход подаваемого масла в СВК, гр./мин Относительное содержание масла в КГ, гр./л Давление в картере, мм вод ст. Разряжение, мм вод ст. Расход унесенного масла, гр./мин Эффективность маслоотделителя, %

100 29 0,29 -170 300 0,000773 99,997

200 35 0,175 -68 0,0016 99,995

300 27 0,09 -39 0,00032 99,998

400 30 0,075 60 0,000545 99,998

450 30 0,067 157 0,000636 99,997

500 32 0,064 274 0,000476 99,998

Стендовые моторные испытания опытного маслоотделителя

Были проведены стендовые моторные испытания маслоотделителя (открытой СВК), с установкой вместе с серийной СВК двигателя КАМАЗ 740.63-400 (в качестве второй ступени маслоотделения) [6].

Место и условия проведения испытаний:

1. Двигатель перед испытаниями укомплектован в соответствии с приложением 2 ГОСТ 14846-81.

2. Испытания проводились на испытательном стенде для испытаний двигателей ф. «ХОРИБА-ШЕНК» (Германия). Испытательный стенд оборудован измерительными приборами согласно разделу 2 ГОСТ 14846-81.

3. В качестве охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя использовалась вода. Испытания проводились на моторном масле SAE 15W/40 Лукойл Супер ТУ 0253-07500148636-99.

5 Условия проведения испытаний - в соответствии с ГОСТ 12.1.005.

Результаты испытаний СВК при работе двигателя КАМАЗ - 740.63-400 на режиме номинальной мощности по результатам испытаний НТЦ ОАО»КАМАЗ» приведены в таблице.

5. Количество отделенного масло было определено по формуле (1), а эффективность маслоотделителей была рассчитана по формуле (3).

Рис.4. Модернизированная СВК Таблица 5 - характеристика маслоотделителя при моторных испытаниях:

Расход КГ, л/мин. Подача масла в СВК, гр./10 мин Эффективность маслоотделителя, % Унос масла, гр./10 мин Давление КГ, мм вод ст.

64 0 100 0 3

84 0 100 0 18

90 0,5 100 0 20

130 2,1 100 0 31

180 6 100 0 44

230 3,9 100 0 59

280 3 98,33 0,05 77

330 2,1 97,62 0,05 97

360 2 97,5 0,05 107

400 34,6 99,71 0,1 142

Заключение

В результате анализа существующей проблемы было принято решение о создании новой системы вентиляции картера дизелей, а конкретно основного ее элемента - маслоотделителя. Проведенные стендовые безмоторные испытания позволили определить наилучший вариант модификации опытного маслоотделителя для дальнейших стендовых моторных испытании. Проведя анализ полученных в результате испытаний данных можно сказать что маслоотделитель не чем не уступает своим зарубежным аналогам, и может быть использован на дизельных двигателях как с открытой системой вентиляции картера, так и с закрытой.

Библиографический список

1. Балашов, А. А. Снижение аэродинамических потерь в газовоздушном тракте лодочного мотора -важнейший фактор увеличения мощности и улучшения экологических качеств / А. А. Балашов, В. А. Синицин, Е. А. Герман, А. Г. Кузьмин // Исследование, моделирование и управление в технических системах и природной среде. Ползуновский вестник. - 2003. - №12. - С. 38 - 41.

2. Волков, М. Ю. Рециркуляция картерных газов во впускной тракт дизеля / М. Ю. Волков // Известия ВУЗов. Серия Машиностроение. - 2008. -№10. - 23 - 24 с.

3. Кавтарадзе, Р. З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: Учебник для вузов. -М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 720 с.

4. Пат. 111582 РФ: F 01 М 13/04: Маслоотделитель системы вентиляции картера двигателя внутреннего сгорания / С. В. Башегуров, С. М. Андриянов, А. С. Ямаев; ОАО "КамАЗ". - №2011119675/06; за-явл. 16.05.2011; опубл.20.12.2011.

5. Пат.111583 РФ: F 01 М 13/04: Маслоотделитель системы вентиляции картера двигателя внутреннего сгорания (варианты) / С. В. Башегуров, С. М. Андриянов, Ямаев А. С., Хусаинов И. Н.; ОАО "КамАЗ". - № 2011123340/28; заявл. 08.06.2011, опубл.20.12.2011.

6. Попов, И. А. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования при вынужденном и свободноконвективном движении теплоносителей: автореф. дис.. докт техн. наук: 01.04.14 / И. А. Попов; науч. рук. проф. докт. техн. наук Ю.Ф. Гортышов; Казанский государственный технический университет им. Туполева. - Казань, 2008. - 41с.

7. Технический регламент "О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ". Утвержден Постановлением Правительства Российской Федерации от 12 октября 2005г. № 609.

8. Франц К. Мозер. Дизель в 2015 г.: Требования и направления развития технологий дизелей для легковых и грузовых автомобилей / К. Франц //

Журнал автомобильных инженеров. - 2008. - № 4(51). - С 54 - 62.

ANALYSIS AND FORMATION OF REQUIREMENTS TO VENTILATING SYSTEMS OF DIESEL ENGINES' CRANKCASES

S. M. Andriyanov, S. V. Bashegurov

Abstract. This article dwells on the current problems associated with ventilating systems of diesel engines' crankcase. The main problems and their solutions are emphasized and described. The considerable attention is paid to the main element of ventilating system of a diesel engine's crankcase - oil separator. The article also presents a device for carrying out motorless tests of case's ventilating system. The authors have a data on motoless and motor tests of patented oil separator.

Keywords: engine, crankcase's ventilating system, diesel engine, oil separator, environmental protection.

References

1. Balashov A. A., V. A. Sinitsyn, E. A .Herman, A. G. Kuzmin Snizhenie ajerodinamicheskih poter' v gazovozdushnom trakte lodochnogo motora -vazhnejshij faktor uvelichenija moshhnosti i uluch-shenija jekologicheskih kachestv [Decrease of aerodynamic losses in the gas-air path of a boat engine is the most important factor of increasing capacity and enhancing environmental qualities]. Issledova-nie, modelirovanie i upravlenie v tehnicheskih sistemah i prirodnoj srede. Polzunovskij vestnik, 2003, no. 1 - 2. pp. 38 - 41;

2. Volkov M. Recirkuljacija karternyh ga-zov vo vpusknoj trakt dizelja [Recycling crankcase gases into intake tract of a diesel engine]. Iz-vestija VUZov. Serija Mashinostroenie, 2008. no. 10. рр 23 - 24;

3. Kavtaradze R. Z. Teorija porshnevyh dvigatelej. Special'nye glavy: Uchebnik dlja vuzov [Theory of piston engines. Special chapters: Textbook for high schools]. Moscow, Izd-vo MGTU im. Bauman, 2008. 720 p.

4. Balagurov S. V., Andriyanov S. M., Amev A. S. Maslootdelitel' sistemy ventiljacii kartera dvigatelja vnutrennego sgoranija [Oil separator of a ventilating system of an internal combustion engine's crankcase]. Patent RF, no. 2011119675/06, 2011.

5. Balagurov S. V., Andriyanov S. M., Amev A. S., Khusainov I. N. Maslootdelitel' sistemy ventiljacii kartera dvigatelja vnutrennego sgoranija (varianty) [Oil separator of a ventilating system of an internal combustion engine's crankcase (options]. Patent RF, no. 2011123340/28, 2011.

6. Popov I. A. Teplogidravlicheskaja jeffektivnost' perspektivnyh sposobov intensifikacii teplootdachi v kanalah teploobmennogo oborudo-vanija pri vynuzhdennom i svobodnokonvektivnom dvizhenii teplonositelej. Dis. Dr. technical science 01. 04. 14. [Thermohydraulic efficiency of perspective methods for intensification of heat loss in channels of heat exchange equipment in compelled and free-convection movement of heat carriers: Dis. of doctor tehn. sciences: 01.04.14]. Kazan, 2008. 41 p.

7. Technical regulations "On requirements for emissions by vehicles in circulation on the territory of the Russian Federation, harmful (polluting) substances". Approved by Resolution of the Government of the Russian Federation dated October 12, 2005. no. 609.

8. Franz K. Moser. Dizel' v 2015 g.: Trebovanija i napravlenija razvitija tehnologij dizelej dlja legkovyh i gruzovyh avtomobilej [Diesel engine in 2015: Requirements and directions of development of a diesel engine's technology for motor cars and trucks]. Zhurnal avtomobil'nyh inzhenerov, 2008, no. 4(51 ).pp. 54 - 62.

Андриянов Сергей Михайлович

Башегуров Сергей Викторович Россия, г. Набережные Челны) - начальник бюро стендовых испытаний двигателей НТЦ ОАО «КАМАЗ».

Andriyanov Sergey Mikhailovich

Bashegurov Sergey Viktorovich

УДК 656.07:658.7

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ «ЗЕЛЁНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ КОРИДОРОВ» В ЕВРОПЕ С УЧЁТОМ КЛЮЧЕВЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Н. К. Горяев, С. С. Циулин Южно-Уральский государственный университет, Россия, г. Челябинск;

Аннотация. В данной статье рассмотрены основы международных транспортных коридоров на территории стран Евросоюза, а также их дальнейшее развитие. Особое внимание уделено понятию «зеленый транспортный коридор». Рассмотрены и проанализированы основные ключевые показатели эффективности (Key Performance Indicators) в таких европейских транспортных коридорах как СуперГоин (SuperGreen), Восточно-Западный Транспортный Коридор (EWTC II), Балтийский транспортный коридор (Baltic Sea Region Transport Corridor) и проект Клайма (CLYMA). Выявлена и обоснована необходимость дальнейшего изучения проектов из этой сферы. Авторами предложено использовать вышеописанные данные для оценки потенциальных последствий, изменений в окружающей среде, которые могут оказать влияние на развитие транспортного сектора.

Ключевые слова: международный транспортный коридор, зеленый коридор, ключевые показатели эффективности

Введение

Транспортная система представляет собой одну из наиболее значимых составляющих глобальной инфраструктурно-экономической среды. Создавая условия для перемещения товаров и услуг, а также мобильности факторов производства, транспортная система служит связующим звеном в мировой экономике, обеспечивающим ее целостность и единство. Особую роль в этом играют обширные инфраструктурные и стратегические объекты - транспортные коридоры.

Транспортные коридоры Транспортные коридоры - это магистральные направления, обеспечивающие за счет многопланового развития транспортной инфраструктуры в целом использование интермодальных и мультимодальных технологий. Функционирование транспортного кори-

дора должно обеспечиваться постепенным формированием определенных правовых условий, разработкой и принятием международных правовых актов (например, использование грузовых сопроводительных документов, обеспечивающих равноправное использование терминальных мощностей и других инфраструктурных объектов).

Страны-участницы тех или иных соглашений по международным транспортным коридорам (МТК) должны внедрять современные таможенные технологии, способствующие ускорению процедуры перевозки грузов и пассажиров, а также активно развивать транспортную инфраструктуру МТК на своей территории, создавать условия для удовлетворения потребностей пользователей, предоставляя сервис соответствующего международного уровня.