Влияние перепада температур базовой детали на работоспособность дизельного двигателя

Таким образом, изменение условий подачи топлива, образования топливо-воздушной смеси и горения за счет перехода подачи топлива из области за лопаточным завихрителем в область перед ним позволило снизить эмиссию СО с 1300 мг/м3 до 100 мг/м3. При этом эмиссия оксида азота (NO) увеличилась с 3 мг/м3 до 9 мг/м3.

Рост эмиссии оксида азота NO связан с увеличением времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур.

Следует отметить, что при подаче топлива перед камерой сгорания наблюдается снижение диапазона устойчивого горения. Это связано с тем обстоятельством, что воспламенение топливо-воздушной смеси происходит в зоне прямого течения, в зоне, в которой имеет место более высокое значение скорости потока. Последнее обстоятельство предполагает в будущем разработку мероприятий по стабилизации процесса горения.

Статья поступила 29.01.2015 г.

Библиографический список

1. Нго Куанг Туен, Исаев А.И. Исследование организации вихревого течения в кольцевой камере сгорания ГТД // Актуальные проблемы развития авиационной техники и методов ее эксплуатации: сб. тр. VI региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, 7 мая 2013 г., Иркутск: ИФ МГТУ ГА. 2013. С. 191-194.

2. Нго Куанг Туен, Исаев А.И. Исследование протяженности зон обратных токов за лопаточными завихрителями // Актуальные проблемы развития авиационной техники и методов ее эксплуатации: сб. тр. IV научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов, 3-5

декабря 2013 г., Иркутск: ИФ МГТУ ГА. 2013. С. 170-173.

3. Виноградов Р.И., Жуковский М.И., Якубов Н.Р. Газодинамическая аналогия и практическое приложение. М.: Машиностроение, 1978.

4. Нго Куанг Туен, Исаев А.И. Экспериментальное исследование влияния организации топливо-воздушной смеси на эмиссию вредных веществ в ГТД // Актуальные проблемы развития авиационной техники и методов ее эксплуатации -2014: сб. тр. VII региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, 16-17 октября 2014 г. Иркутск: Иркутский филиал МГТУ ГА, 2014 г. С. 5-8.

УДК 629.488

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕПАДА ТЕМПЕРАТУР БАЗОВОЙ ДЕТАЛИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

1 9

© А.Г. Осипов1, А.В. Терпугов2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Отмечается, что одной из причин выхода из строя тепловых машин является большой перепад температур базовой детали в результате ее неравномерного нагрева в процессе работы. Приводятся результаты экспериментальных исследований температурного поля дизельного двигателя КамАЗ-740.11 при его прогреве. Ключевые слова: тепловая машина; дизельный двигатель; базовая деталь, неравномерный нагрев; перепад температур; работоспособность дизельного двигателя.

BASE MEMBER TEMPERATURE GRADIENT EFFECT ON DIESEL ENGINE PERFORMANCE A.G. Osipov, A.V. Terpugov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

It is noted that one of the reasons for heat engine failure is a large difference in temperatures of the base member resulting from its uneven heating during operation. The paper provides the results of experimental studies of the temperature field of KamAZ-740.11 diesel engine when it warms-up.

Keywords: heat engine; diesel engine; base member; uneven heating; temperature drop; diesel engine performance.

Базовая деталь тепловых машин, преобразующих тепловую энергию в механическую работу, предназначена для размещения и крепления главной и остальных деталей. В настоящее время весьма распространенной на транспорте и в других отраслях тепловой машиной являются дизельные двигатели.

Базовой деталью дизельного двигателя является цилиндр, а в большинстве случаев блок цилиндров, конструктивно отливаемый заодно целое с картером

(блок-картер), в котором выполняются выточки для размещения подшипниковых опор главной детали двигателя - коленчатого вала.

Для совместной отливки блока цилиндров и картера дизельных двигателей в отечественном и зарубежном машиностроении преимущественно используются литейные серые чугуны, химический состав которых представлен в табл. 1.

1Осипов Артур Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, e-mail:arthur.osipov@rambler.ru

Osipov Artur, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, e-mail: arthur.osipov@rambler.ru

2Терпугов Антон Владимирович, студент.

Terpugov Anton, Student.

Таблица 1

Химический состав серых чугунов для отливки блок-картеров дизельных двигателей

Страна, Состав, % НВ B max ,

фирма С Si Mn S P Cr Ni Мо 2 кг/мм

Россия, КамАЗ СЧ 21-40 3,2- 3,4 2,0- 2,3 0,5- 0,8 < 0,1 0,15- 0,20 0,25- 0,45 0,10- 0,25 - 187- 241 21

США,

Дженерал Моторз СМ 73-М 2,85-3,15 1,95- 2,50 0,65- 0,5 <0,2 0,15 0,35- 0,55 0,25- 0,45 0,65- 0,85 223-248 35

Италия, Фиат СИ 26 Факультативно <0,15 0,10 0,10-0,20 - Sn 0,10 190-240 26

Следует отметить, что при совместной отливке блоков цилиндров и картеров дизельных двигателей за рубежом в серый чугун вводится молибден (Мо), повышающий прочность и жаростойкость чугуна СМ 73-М.

Наряду с серым чугуном при совместном изготовлении блоков цилиндров и картеров дизельных двигателей используются литейные алюминиевые сплавы, легированные Б1, так называемые силумины (табл. 2). Они обладают наиболее высокими литейными свойствами [1] и обеспечивают технологичность отливки базовых деталей.

Для отливки напряженных в температурном отношении базовых деталей дизельных двигателей, нагревающихся до температуры 2750С, применяются также сплавы АЛ-1 и АЛ-20 (табл. 3) с повышенными механическими свойствами.

Для совместной отливки под давлением блоков цилиндров и картеров, а также других сложных деталей дизельных двигателей применяются алюминие-

вые литейные сплавы АЛ-4 и АЛ-32 [1], характеристика которых приведена в табл. 4.

Для упрочнения базовые детали из сплава АЛ-4 проходят термическую обработку закалкой при температуре 535 ± 50С и старением при 180 ± 50С в течение 8 ч.

Наличие Мп и Т в химическом составе сплава АЛ-32 и большая скорость его кристаллизации при литье под давлением способствуют получению метаста-бильной структуры изготавливаемых базовых деталей. Базовые детали из АЛ-32 упрочняются путем искусственного старения без предварительной закалки и хорошо обрабатываются резанием, свариваются, а также обладают коррозионной стойкостью.

Механические свойства алюминиевых сплавов улучшаются путем модифицирования натрием №, который в виде хлористых и фтористых солей добавляется в жидкий сплав в количестве 2-3% от массы сплава.

Таблица 2

Химический состав алюминиевых литейных сплавов для совместного изготовления _блоков цилиндров и картеров дизельных двигателей_

Сплав Mg Si Mn

АЛ-4 0,17-0,3 8,0-10,5 0,2-0,5

Таблица 3

Химический состав алюминиевых литейных сплавов с повышенными механическими

свойствами

Сплав Cu Mg Si Прочее

АЛ-1 3,75-4,50 1,25-1,75 - 1,7-2,2 Ni

АЛ-20 3,50-4,50 0,70-1,20 1,5-2,0 1,2-1,7 Fe; 0,15-0,3 Mn; 0,15-0,25 Cr; 0,05-0,10 Ti

Таблица 4

Характеристики алюминиевых литейных сплавов АЛ-4 и АЛ-32 для совместной отливки блоков _цилиндров и картеров дизельных двигателей_

Сплав 7 , 2 В , кг/мм <0,2 5,% НВ

АЛ-4 18 8 6 50

АЛ-32 27 16 3 80

При работе дизельных двигателей конструкционные материалы в результате нагрева расширяются и размеры базовых деталей изменяются. Например, при нагреве до температуры 240°С блока цилиндров двигателей семейства КамАЗ, выполненного из СЧ 21-40, линейные размеры базовой детали по высоте увеличиваются на 2387 мкм, а аналогичной базовой детали, изготовленной из алюминиевого сплава АЛ-4 (силумина), - на 1298 мкм. При этом температурный коэффициент линейного расширения для СЧ 21-40 равен а = 11,8 • 10-6 (1/Град), а для АЛ-4 равен а = 21,7 • 10-6 (1/Град) [2].

Вследствие неравномерного нагрева базовой детали по высоте (поскольку источник тепла - отработанные газы, имеющие температуру порядка 1800-20000С [3], нагревают в первую очередь верхнюю часть блока цилиндров дизельного двигателя) могут произойти: деформация цилиндров, изменение размеров проточек под подшипниковые опоры коленчатого вала и, в конечном счете, потеря работоспособности тепловой машины.

Для оценки уровня тепловой напряженности базовой детали дизельного двигателя и установления значений перепада температур по высоте его блока цилиндров и картера проведены экспериментальные исследования температурного поля 8-цилиндрового V-образного дизельного двигателя КамАЗ-740.11 при его ускоренном прогреве в диапазоне температур от минус 15 до плюс 800С.

Измерение температур проводилось по классической методике [4] в семи точках двигателя с помощью шести хромель-копелевых термопар авиационного типа с контактными медными кольцами на конце и одного лабораторного ртутного термометра. Последний был установлен на выходе жидкости из рубашки охлаждения в том месте, где заводом-изготовителем предусмотрена установка датчика температуры. Четыре термопары посредством нормалей устанавлива-

лись на головках левых и правых цилиндров и на их полублоках. Две оставшиеся термопары с целью повышения долговечности и точности измерений заделывались стационарно в рубашку охлаждения и масляный поддон картера. При этом шарик спая термопары, составляющий в диаметре 1.5 + 0.15 мм, фиксировался в гнезде при помощи эпоксидного клея. Компенсационные провода всех термопар были выведены к переключателям и от них на показывающие авиационные ферродинамические гальванометры и потенциометр КСП-4. Гальванометры в виброустойчивом исполнении работали в диапазоне температур 0...300°С. Включение в электрическую цепь переключателей позволяло осуществлять контроль за исправностью измерительных схем и одновременно измерять температуру во всех выбранных точках.

В ходе проведенного термометрирования установлено, что ускоренный прогрев приводит к значительной неравномерности температурного поля дизельного двигателя, в частности его базовой детали -блок-картера. Как показали результаты экспериментов, представленные на рис. 1, перепад температур полублоков цилиндров и нижней части картера составляет 880С.

Такая значительная неравномерность температурного поля дизельных двигателей вызывает в базовой детали высокие тепловые напряжения и приводит к деформации этой детали, в частности несоосности опор коренных подшипников. Последнее создает опасность заклинивания коленчатого вала и даже его поломки из-за значительного увеличения изгибающего момента в местах неприлегания вала к опорам.

Кроме вышеотмеченного, значительный перепад температур по высоте блока цилиндров способствует возникновению термоэлектродвижущих сил, вызывающих электрохимическую коррозию и электроэрозию зеркала цилиндров дизельного двигателя.

Время прогрева!

Рис. 1. Результаты ускоренного прогрева дизельного двигателя КамАЗ-740.11: 1,2- температура соответственно правого, левого полублока цилиндров; 3 - температура масла в поддоне картера; 4 - температура нижней части картера в зоне опор коренных подшипников

Е

¡É S,

си S X

Ib

I 1000 ш S п

1986

162/» 1800/ ^1652 ^1817

10 SAjt 126/ <*1321 ......- 2 <^486

54l/ 72?<í .— 660 903/ -"^590 •»""708 -<~944 N

ISO > ""lis "^236 --- 154

20 40 60 S0 100 120 140 160 1S0 200 220 240

Температура, ТЛС

Рис. 2. График зависимости от температуры линейного расширения блока цилиндров, выполненного из СЧ 21-40:1 - изменение линейного размера по длине детали; 2 - изменение линейного размера по ширине детали; 3 - изменение линейного размера по высоте детали

2

sé

Е 2500

<1

0

1 2000 01

X 1) г

^ 1500

36^0

298 . 3320' _ РУ" И

2Б5о/ y  / зоза 2734

1992/ / ZütJ / 2126 2 j*ll70 87

lbbü// 18 2 >«<1736 г1953 3

996 132 j// 1519 Г y/í 02

911/ 651 '868

332^ -сиь- /*434

0 50 100 150 200 250 300

Температура, Т"С

Рис. 3. График зависимости от температуры линейного расширения блока цилиндров, выполненного из АЛ-4:1 - изменение линейного размера по длине детали; 2 - изменение линейного размера по ширине детали; 3 - изменение линейного размера по высоте детали

Очевидно, что при ускоренном форсированном прогреве дизельного двигателя неравномерность его температурного поля будет еще выше, что обусловливает необходимость выравнивания температуры базовых деталей по их высоте.

Проведенные расчеты показали, что нагрев базовой детали до температуры 2400С приводит к значительным изменениям линейных размеров как блока цилиндров, выполненного из СЧ 21-40 (рис. 2), так и блока цилиндров, выполненного из АЛ-4 (рис. 3).

Практический интерес вызывают и аналогичные изменения, происходящие с менее крупными, но не менее важными деталями. В качестве примера можно

акцентировать внимание на изменении диаметров шеек коленчатого вала (рис. 4) и головок шатуна (рис. 5).

Для коленчатого вала двигателя «КамАЗ», выполненного из стали 42ХМФА, с базовыми размерами по диаметру коренной шейки 95 и шатунной шейки 80 мм [5], при нагреве до 1000С приращения диаметров соответственно составят 92 и 77,5 мкм. Для шатуна, выполненного из стали 40ХН2МА [6], с базовыми размерами по диаметру верхней головки 49,02 и нижней головки 85,02 мм, прирост диаметров головок соответственно составит 46,3 и 80 мкм.

300

250

200

150

0

1

о

100

50

258

21 Л 187 J )/ > :20

1ДП, 64>^ > ^ JT\b |/177,8 3

92 115^, JTXiZ 1S2

4! 68,9 J П7.5 £

22,9 19,4

50

100

150

200

250

300

Температура, °С

Рис. 4. График зависимости от температуры увеличения диаметров коленчатого вала, выполненного из стали 42ХМФА: 1 - изменение диаметра коренной шейки; 2 - изменение диаметра шатунной шейки

Температура,

Рис. 5. График зависимости от температуры увеличения диаметров головок шатуна, выполненного из стали 40ХН2МА: 1 - изменение диаметра нижней головки; 2 - изменение диаметра верхней головки

Поскольку причиной перегрева верхней части блока цилиндров и недостаточного прогрева нижней части картера является верхнее расположение камер сгорания и соответствующая организация движения теплоносителя, поступающего к этим камерам в первую очередь, выравнивание температуры по высоте базовой детали дизельного двигателя может быть осуществлено несколькими способами. К ним относятся: изменение расположения камер сгорания, реорганизацию движения теплоносителя, дополнительный подогрев наименее прогреваемых нижних зон двигателя. Из перечисленных способов наиболее приемлемым и целесообразным, на наш взгляд, является по-

следний. Его реализация может быть осуществлена посредством омывания нижней части картера, включая масляный поддон, отработанными газами двигателя, имеющими на выходе температуру порядка 600-7000С [3].

Для предупреждения деформации базовой детали и сведения к минимуму ее последствий, в частности, защемления и поломки коленчатого вала, рекомендуется проведение технологических мероприятий, например, искусственное старение отливок блок-картеров при температуре 550-6000С.

Статья поступила 26.01.2015 г.

1. Современные материалы в автомобилестроении: справочник / В.С. Дорфман [и др.]. М.: Машиностроение, 2007. 271 с.

2. Справочник металлурга [Электронный ресурс]. URL: http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/alu/AL4

3. Михайловский Е.В., Серебряков К.Б., Тур Е.Я. Устройство автомобиля: учебник для учащихся автотранспортных техникумов. 6-е изд., стереотип. М.: Машиностроение, 2001. 342 с.

Библиографический список

4. Сороко-Новицкий В.И. Испытания автотракторных двигателей: учеб. пособие для высших технических учебных заведений. М.: Машиностроение, 1950. 378 с.

5. Двигатель КамАЗ-740. Чертежи [Электронный ресурс]. URL: http://avtotehtrans.ru/kolenval_i_porshni_kamaz_740.html

6. Материалы деталей машин [Электронный ресурс]. URL: http://everest-autokam.ru /news/ vosstanovlenie-detaley-tsilindro-porshnevoy-gruppy-i-shatunno-krivoshipnogo-mekhanizma/