Эффективность динамического режима прогрева двигателя 4ч 11,0/12,5 (Д-240) в межсменный период

МЕХАНИЗАЦИЯ

]

DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10519

УДК 621.4

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПРОГРЕВА ДВИГАТЕЛЯ 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) В МЕЖСМЕННЫЙ ПЕРИОД

Г. М. КРОХТА1, доктор технических наук, зав. кафедрой

В. М. ЛИВШИЦ2, доктор технических наук, главный научный сотрудник

Н. А. УСАТЫХ1, старший преподаватель Новосибирский государственный аграрный университет, ул. Добролюбова, 160, Новосибирск, 630039, Российская Федерация

Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства СФНЦА РАН, пос. Краснообск, Новосибирский р-н, Новосибирская обл., 630501, Российская Федерация

Резюме. Экспериментальные исследования двигателей 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) с целью изучения эффективности динамического режима прогрева, по сравнению со статическим, были выполнены в лаборатории зимней эксплуатации Новосибирского государственного аграрного университета. Программа исследований включала в себя сравнительный анализ величин часового расхода топлива, износа гильз и поршневых колец при самопрогреве двигателей на разных режимах. Самопрогрев -периодические циклы, которые обеспечиваются с помощью автомата прогрева двигателя (АПД). Он может осуществляться в статическом и динамическом режиме. Самопрогрев в статическом режиме представляет собой цикл «пуск - разгон - прогрев - выбег - остывание», в динамическом - цикл, состоящий из ряда периодически повторяющихся тактов. Динамический режим предполагает создание нагрузки на двигатель, работающий в режиме прогрева, с помощью сил инерции вращающихся масс. Наиболее простой способ загрузки двигателя, поддающийся автоматическому управлению, - работа в динамическом режиме (разгон - выбег). Средняя продолжительность прогрева охлаждающей жидкости в статическом режиме от +5 °С до +50 °С составляет 288 с при абсолютном расходе топлива 0,550 кг. При прогреве в динамическом режиме его продолжительность возрастает до 372с, а расход топлива снижается до 0,361 кг. При перерасчете на часовой расход топлива в статическом режиме расходуется 6,9 кг/ч, в динамическом - 3,5 кг/ч. При этом продолжительность работы двигателя в общем балансе времени межсменной стоянки в статическом режиме составила 3,5 %, а в динамическом -4,5 %. Наибольший средний износ ЦПГ, приходящийся на один пуск, имеет место при пуске-прогреве двигателя, который работает в статическом режиме, и находится в пределах 0,064...0,087мкм. При этом прогрев в динамическом режиме сопровождается снижением износов, по сравнению со статическим, по гильзам от 7 до 10 %, по кольцам - от 15 до 85 %. Ключевые слова: пуск-прогрев, статический режим, динамический режим, цилиндро-поршневая группа, износы, расход топлива, время прогрева.

Для цитирования: Крохта Г. М., Лившиц В. М., Усатых Н. А. Эффективность динамического режима прогрева двигателя 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) в межсменный период // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 5. С. 74-77. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10519.

Более 90 % территории Российской Федерации находится в зоне отрицательных температур. Хранение машин в межсменный период в теплых помещениях сокращает их простои и количество отказов, повышает коэффициент технической готовности машин к работе, что особенно важно при механизации производственных процессов в АПК. В то же время такое хранение связано с большими затратами на их строительство, отопление, освещение и обслуживание помещений. Поэтому вопрос безгаражного хранения машин при

низкой температуре в период межсменных стоянок до сих пор весьма актуален.

Пуск двигателей после стоянки на открытой площадке затруднен и, например, при температуре окружающей среды (ОС) минус 25 оС и ниже может занимать до 1,5 ч и более. В ряде случаев при низких температурах ОС двигатели во время стоянки не выключают. Такой прием используют как в отечественной, так и в зарубежной практике, что ведет к значительным и не всегда оправданным расходам ресурса двигателя и топливо-смазочных материалов. Кроме того, следует отметить, что работа на холостом ходу не позволяет поддерживать оптимальный тепловой режим двигателя [1, 2].

Один из эффективных способов обеспечения готовности двигателя к работе в период межсменных стоянок - постоянное поддержание заданного теплового режима путем автоматического запуска и последующей остановки (самопрогрев). Такой способ сейчас применяют на многих легковых автомобилях.

Самопрогрев - периодические циклы, которые обеспечивают с помощью автомата прогрева двигателя

где тЦ - время цикла в статическом режиме, с; т„ - время пуска, с; тр - время разгона коленчатого вала, с; т™1 - время работы на максимальной частоте вращения коленчатого вала, с; тв - время выбега, с; тк - время остывания двигателя, с.

Рис. 1. Диаграмма работы двигателя на различных режимах прогрева: а - статический; б - динамический.

Самопрогрев в динамическом режиме представляет собой цикл, состоящий из ряда периодически повторяющихся тактов, что можно представить также в виде равенства (2) или графически (рис.1б):

< =

где тЦ - время цикла в динамическом режиме, с; т™" -время работы на минимальной частоте вращения коленчатого вала, с; N - количество периодически повторяющихся тактов в процессе прогрева.

Экспериментально установлено, что пуск теплого двигателя скоротечен и не превышает, как правило, 1,0 с. Время разгона колеблется в пределах 0,8.. .1,0 с, а выбега -1,5...2 с. В период разгона положение рейки топливного насоса (механический регулятор) соответствует корректорной ветви характеристики до момента уменьшения подачи в результате работы регулятора. Методика обоснования параметров динамического режима приведена в работе Д. А. Уханова [3].

В исследованиях, проведенных ранее, с точки зрения сокращения длительности прогрева и расхода топлива рекомендовано поддерживать частоту вращения коленчатого вала выше среднего значения [4]. Поэтому с целью упрощения алгоритма управления работой двигателя при прогреве в статическом и динамическом режиме принят максимальный скоростной режим, то есть устанавливали полную подачу топлива. Кроме того, повышенный скоростной режим способствует обеспечению гидродинамических условий смазки подшипников коленчатого вала и сокращению времени прогрева двигателя.

Очевидно, что при статическом режиме прогрева время работы двигателя на максимальной частоте вращения коленчатого вала определяется конечной температурой (50 оС). При динамическом режиме двигатель с помощью специального устройства периодически выходит на максимальную частоту вращения, и работает на ней в течение короткого промежутка времени. За этот период частота вращения коленчатого вала должна стабилизироваться на максимальном уровне. Затем происходит «выбег» и частота вращения коленчатого вала достигает минимальной величины холостого хода и снова стабилизируется. Далее процесс повторяется.

Динамический режим предполагает создание нагрузки на двигатель, работающий в режиме прогрева, с помощью сил инерции вращающихся масс. Наиболее простой способ загрузки двигателя, поддающийся автоматическому управлению, - перевод на работу в режиме «разгон-выбег».

Повышение цикловой подачи топлива сопровождается увеличением продолжительности сгорания и повышением средней температуры цикла, что способствует более полному сгоранию топлива и снижает вероятность коррозионного износа и наводораживания трущихся поверхностей деталей ЦПГ [5].

При выбеге подача топлива полностью выключена, что еще больше уменьшает вероятность коррозионного износа. Кроме того, из-за отсутствия сгорания снижаются удельные давления колец на стенки цилиндров, исключается выгорание масляной пленки с сопрягаемых поверхностей, что способствует снижению механического износа. В то же время аккумулированная вращающимися массами энергия двигателя, работающего большую часть времени в режиме компрессора, частично превращается в тепловую из-за потерь на трение.

Цель исследований - определение эффективности динамического режима прогрева, по сравнению со статическим, в период межсменных стоянок.

Условия, материалы и методы. Исследование осуществляли на двух двигателяхМинского моторного завода типоразмера 4Ч 11,0/12,5 марки Д-240 с электростартер-ным пуском. Этот тип двигателей широко используют на автомобилях и тракторах отечественного и зарубежного производства. Оба двигателя оснащали АПД. Кроме того, один из них дополнительно оборудовали устройством, реализующим динамический режим прогрева. Двигатели устанавливали на открытой площадке со снятыми радиаторами. Системы охлаждения заполняли антифризом, системы питания и смазки - нефтепродуктами в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя.

В процессе испытаний регистрировали температуру теплоносителей и ОС, продолжительность цикла прогрева, максимальную и минимальную частоту вращения, число тактов в цикле (динамический режим), расход топлива за цикл и суммарный расход за весь период испытаний (25 пусков-прогревов).

За начальную температуру пуска с АПД принимали температуру охлаждающей жидкости в нижней части блока на уровне плюс 5 оС. Как показали ранее проведенные исследования, при такой температуре частично стабилизируются потери от неполноты сгорания топлива, в поддоне двигателя появляется масляный туман, что обеспечивает поступление масла на стенки гильз и гарантирует надежный пуск двигателя с первой попытки [6]. Минимальное значение конечной температуры охлаждающей жидкости в головке блока принимали на уровне 50 оС. При этой температуре завод-изготовитель разрешает использовать трактор с полной нагрузкой, а в кабине создаются приемлемые условия для работы водителя (машиниста).

Начальную температуру прогрева контролировали термопарой, размещенной в нижней части блока цилиндров, конечную - в головке цилиндров.

Износ деталей ЦПГ определяли методом искусственных баз (вырезанных лунок) при помощи прибора УПОИ-6. С целью контроля изменения внутреннего диаметра цилиндров вследствие износа проводили их микрометраж перед началом и по окончании всех циклов испытаний. Замеры износов гильз по высоте осуществляли в четырех поясах (сечениях). В каждом поясе нарезали по восемь лунок согласно ГОСТ 18509-88. Первый пояс располагался в зоне остановки первого компрессионного кольца (середина кольца), второй - в зоне остановки второго компрессионного кольца (середина кольца), третий - в зоне прохождения всех компрессионных колец с максимальной скоростью, четвертый - в зоне прохождения всехпоршневыхколец с максимальной скоростью. На поверхности первого компрессионного кольца, обращенной к зеркалу гильзы, для определения радиального износа лунки нарезали в пяти точках: две подуглом 30о в обе стороны от оси, проходящей через середину стыка, а остальные - через 90о от этой оси. Уконическихколецлунки располагали как можно ближе к нижней кромке.

Длина вырезанных лунок находилась в пределах 2 мм, а их глубина - до 50 мкм. Измерение длины лунок до и после испытаний позволяет определить износ цилиндрической поверхности по формуле:

ДЛ

= 0,125 <№1,

где 11 и 12 - длина лунки до и после изнашивания, мм; г - радиус вылета резца, мм.

Знак «+» берется в случае, когда лунка вырезана на выпуклой цилиндрической поверхности (поршневое кольцо), «-», когда лунка расположена на вогнутой поверхности (зеркало цилиндра). Микроскоп прибора УПОИ-6 позволяет замерить длину лунки с точностью

до ±0,02 мм, в пересчете на глубину лунки точность определения износа составит ±0,5 мкм.

После каждого цикла испытаний двигатель разбирали, визуально оценивали состояние всех трущихся поверхностей деталей кривошипно-шатунного механизма, проверяли подвижность поршневых колец, уровень нагаро- и лакообразования. В процессе разборки регистрировали положение колец на поршнях с таким расчетом, чтобы сохранить его при последующей сборке двигателя.

Метод искусственных баз с достаточной степенью точности позволяет уловить износ ЦПГ при работе двигателя в течение не менее 2,0 ч, что примерно соответствует 25 пускам-прогревам.

Объект исследования - закономерности расхода топлива двигателей в период послепускового прогрева в статическом и динамическом режиме и процессы изнашивания основных сопряжений деталей ЦПГ.

Результаты и обсуждение. При самопрогреве в статическом режиме в течение 25 пусков-прогревов было израсходовано 13,75 кг топлива. Общая продолжительность этого периода составила 7182 с, или почти 2 ч. В динамическом режиме израсходовано 9,02 кг топлива при общей продолжительности работы 9216 с, или 2,56 ч.

Характерная особенность результатов экспериментов - относительно быстрый прогрев двигателя Д-240 при работе на максимальной частоте холостого хода. Экспериментально установлено, что средняя продолжительность прогрева охлаждающей жидкости от плюс 5 оС до 50 оС в статическом режиме составляла 288 с при расходе топлива за этот промежуток времени 0,550 кг, в динамическом - 372 с и 0,361 кг соответственно. Если вести расчет в абсолютных величинах, то расход топлива в статическом режиме в 1,53 раза выше, чем в динамическом. При перерасчете на часовой расход в статическом режиме расходуется 6,9 кг/ч топлива, в динамическом -3,5 кг/ч, что почти в 2 раза больше.

Увеличение расхода топлива при статическом режиме прогрева можно объяснить несовершенством рабочего процесса вследствие высокого коэффициента избытка воздуха и относительно низкой температурой сгорания, а также значительными потерями энергии с отработанными газами.

Следует отметить, что динамический режим прогрева сопровождался увеличением времени прогрева с 288 до 372 с, то есть время работы двигателя в течение 25 пусков-прогревов возросло с 2,00 до 2,56 ч, но в общей длительности межсменной стоянки трактора это очень малая величина. Опыты показали, что не утепленные двигатели при температуре ОС минус 8 оС остывают от плюс 50 до 5 оС за 2,25...2,33 ч.

Таким образом, несложные расчеты показывают, что благодаря 25 пускам-прогревам двигатели сохраняли тепловое состояние, которое позволяет обеспечить их 100 %-ную готовность к работе в течение 57 ч стоянки на открытой площадке. При этом продолжительность работы двигателя в статическом режиме составила 3,5 %, в динамическом - 4,5 % от общего времени межсменной стоянки.

Промеры износов деталей ЦПГ после испытаний выявили значительную неравномерность их абсолютных величин по точкам окружности колец и гильз. Неравномерность износов отмечали и другие авторы [7].

Результаты экспериментальных исследований показали, что пуски-прогревы двигателя №875355 (динамический режим) при средней температуре ОС минус 8 °С сопровождались износом цилиндров, абсолютная величина которых колеблется от 0,520 до 3,620 мкм, а среднемаксимальный

1,

мм «п

20 <м нч СП Г1"1 т—1

н 0 0\ £

40 --

60

80

I

—

1,0 1,5 2,0 И, мкм

Рис. 2. Средний износ гильз цилиндров двигателей Д-240:

—а— - 25 пусков-прогревов (режим статический);---

25 пусков-прогревов (режим динамический).

диаметральный износ, находившйся в первом поясе первого цилиндра, достигал 2,355 мкм (рис. 2). Меньшее значение износа характерны для третьего и четвертого поясов. Снижение износов во втором и третьем поясах, по сравнению с первым, можно объяснить тем, что в этой зоне значительно меньше давление газов, а также отсутствуют условия для интенсивного коррозионного износа. В первом поясе на поршневое кольцо действуют продукты сгорания, которые развивают максимальное давление и имеют максимальную температуру, в результате чего ухудшаются условия смазки сопряжения «кольцо - гильза». Поэтому износ в первом поясе больше, чем во втором.

Среднедиаметральный износ за один пуск-прогрев двигателя №875355 (динамический режим) варьировал в пределах 0,060...0,079 мкм, а среднемаксимальный за один пуск не превышал 0,094 мкм (см. табл.).

Таблица. Итоговые результаты по износу при пуске-прогреве испытуемых двигателей

Заводской номер двигателя и режим испытаний С тем редняя терату-ра, °С Средний износ за пуск-прогрев, мкм

( ос ( V н к диаме- радиаль-нЗаШЬзнЪд колец

№875355, -7,5 5...6 50 0,060... 0,103... динамический 0,079 0,209 №843049, ста- -7,5 5.6 50 0,064. 0,190. тический 0,087 0,218

У двигателя Д-240 №842049 (статический режим) при прочих равных условиях величина абсолютных значений диаметральных износов по поясам колебалась от 0,820 до 4,300 мкм, а среднемаксимальный диаметральный находился в четвертом поясе четвертого цилиндра и был равен 2,648 мкм. Среднедиаметральный износ, приходившийся на один пуск, составлял 0,064...0,087 мкм, а среднемаксимальный, находившийся в первом поясе первого цилиндра, - 0,106 мкм.

Кроме того, необходимо отметить, что характер износа гильз по высоте в первых трех поясах практически не отличался от ранее установленных другими исследователями [7].

Абсолютный средний износ гильз в первом поясе для двигателя при пуске-прогреве в статическом режиме составлял 2,163 мкм, в динамическом - 1,963 мкм, во втором соответственно - 1,898 мкм и 1,800 мкм, в третьем - 1,595 мкм и 1,493 мкм.

Износы в четвертом поясе для обоих двигателей были практически равны и сопоставимы с износами в третьих поясах. Такой характер износа можно объяснить снижением доли контактно-механического изнашивания и повышением доли коррозионного износа. Очевидно, что величина коррозионного износа зависит от времени, в течение которого осуществляется прогрев. В нашем случае испытывали двигатели без радиаторов охлаждения, циркуляция охлаждающей жидкости проходила по малому кругу, что позволило резко сократить время прогрева до 5...6 мин.

Известно, что при низких температурах на поверхностях ЦПГ могут конденсироваться капли кислот: сернистой или серной, что вызывает химическую коррозию рабочих поверхностей и способствует интенсификации коррозионных износов [6].

Средний радиальный износ поршневых колец на всех этапах колебался в довольно широком интервале - от 1,860 до 7,325 мкм. Такие отклонения можно объяснить в какой-то мере неполным прилеганием поверхности колец к зеркалу цилиндров, конусностью колец и расположением лунок, а также наличием масляной пленки на поверхности гильзы или ее отсутствием. Неоднозначное влияние на образование и сохранение пленки может оказывать дисперсность подаваемого форсункой топлива.

Итоговые результаты (см. табл.) свидетельствуют, что наибольший средний износ ЦПГ, приходящийся на

один пуск, имеет место при пуске-прогреве двигателя, который работает в статическом режиме, и находится в пределах 0,064.0,087 мкм. Прогрев двигателя в динамическом режиме сопровождается снижением износов, по сравнению со статическим режимом, по гильзам - от 7 до 10 %, по кольцам - от 15 до 85 %.

Известно, что ресурс поршневой группы в основном лимитирует износ в верхних поясах гильзы [7]. Как показали результаты наших исследований, они вполне допустимы.

Выводы. Средняя продолжительность прогрева охлаждающей жидкости от плюс 5 оС до 50 оС в статическом режиме составляет 288 с при расходе топлива 0,550 кг, в динамическом - 372 с и 0,361 кг соответственно. В абсолютных величинах расход топлива в статическом режиме в 1,53 раза выше, чем при динамическом. При перерасчете на часовой расход в статическом режиме расходуется 6,9 кг/ч топлива, в динамическом - 3,5 кг/ч, или почти в 2 раза больше.

Наибольший средний износ деталей ЦПГ, приходящийся на один пуск, имеет место при пуске-прогреве двигателя, который работает в статическом режиме и находится в пределах 0,064.0,087 мкм. Прогрев двигателя в динамическом режиме сопровождается снижением износов, по сравнению с прогревом в статическом режиме, по гильзам от 7 до 10 %, по кольцам - от 15 до 85 %.

Применение динамического режима прогрева двигателя в период межсменных стоянок позволяет минимизировать расход топлива и износ деталей ЦПГ, а также обеспечивает высокое значение коэффициента готовности машины к работе.

Литература.

1. Тышкевич Л. Н., Журавский Б. В. Повышение эффективности эксплуатации транспортных машин в условиях низких отрицательных температур // Вестник СибАДИ. 2016. Вып. 3 (49). С. 36-41.

2. Roberts А., Brooks R., Shipway P. Internal combustion engine cold-start efficiency: A review of the problem, causes and potential solutions // Energy Conversion and Management. Nottingham: Elsevier, 2014. Рр. 327-350.

3. Уханов Д. А. Повышение эффективности работы тракторных дизелей на холостом ходу путем обоснования параметров динамического режима и систем его воспроизведения: дис. ... канд. техн. наук. Пенза, 2001. 225 с.

4. Распопин Н. И., Кушнир А. Ф. Влияние различных факторов на послепусковой прогрев тракторного дизеля при работе в зимних условиях// Эксплуатация и ремонт МТП: науч. тр. Новосибирск, 1976. С. 85-92.

5. Крохта Г.М. Усатых Н. А., Хомченко Е. Н. Закономерности пусковых и послепусковых износов двигателя 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) при безгаражном хранении машин //Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 5. С. 49-53.

6. Крохта Г. М. Особенности холодного пуска двигателя 6ЧН 13,0/11,5 и послепускового прогрева моторно-трансмиссионной установки трактора Т-150К// Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 1. С. 31-35.

7. Суранов Г. И. Уменьшение износа автотракторных двигателей при пуске. М.: Колос, 1982. С. 145.

EFFICIENCY OF THE DYNAMIC MODE OF THE ENGINE "4CH 11.0/12.5 (D-240)" WARMING-UP

DURING THE INTERSHIFT PERIOD

1G. M. Krohta, 2V. M. Livshits, 1N. A. Usatykh

'Novosibirsk State Agrarian University, ul. Dobrolyubova, 160, Novosibirsk, 630039, Russian Federation

2Siberian Research Institute of Agriculture Mechanization and Electrification of the SFRCAB of the RAS, pos. Krasnoobsk, Novosibirskii r-n, Novosibirskaya obl., 630501, Russian Federation

Abstract. Experimental studies of the engines "4Ch 11.0/12.5 (D-240)" were performed in the winter operation laboratory of Novosibirsk State Agrarian University. The aim of the investigation was to study the efficiency of a dynamic warming-up mode in comparison with a static mode. The research program included a comparative analysis of the values of the hourly fuel consumption, wear of the sleeves and piston rings during engine self-heating in different modes. Self-heating means periodical cycles, which are ensured with the help of engine warm-up automat (EWA). It can be realized in the static or dynamic mode. Self-heating in the static mode is a cycle "start - acceleration - heating - runout - cooling-down", in the dynamic mode it is a cycle consisting of a series of periodically repeating cycles. The dynamic mode presupposes creation of load per engine, which works in the heating mode, by means of inertia of rotating mass. The simplest way to create load, which can be controlled automatically, is a work in the dynamic mode (acceleration - run-out). The average duration of coolant warming-up from +5 C to +50 С in the static mode is 288 seconds with absolute fuel consumption of 0.550 kg. In the dynamic mode its duration increases to 372 seconds, and fuel consumption decreases to 0.361 kg. When recalculated per hour, the static mode consumes 6.9 kg/h of fuel, the dynamic mode - 3.5 kg/h of fuel. At the same time, the engine running time in the total time balance of the intershift period in the static mode was 3.5%, and in the dynamic mode it was 4.5%. The largest average wear of the cylinder-piston group per one start-up takes place at the start -heating of the engine, which operates in the static mode, and it is in the range of 0.064-0.087 micrometers. Wherein, engine warming-up in the dynamic mode accompanies with the abrasion reduction from 7 to 10% for sleeves, from 15 to 85% for rings. Keywords: start - warming-up; static mode; dynamic mode; cylinder and piston group; abrasion; fuel consumption; heating time. Author Details: G. M. Krochta, D. Sc. (Tech.), head of department (e-mail: mshipo@mail.ru); V. M. Livshits, D. Sc. (Tech.), chief research fellow, N. A. Usatykh, senior lecturer.

For citation: Krohta G. M., Livshits V. M., Usatykh N. A. Efficiency of the Dynamic Mode of the Engine "4Ch 11.0/12.5 (D-240)" Warming-up during the Intershift Period. DostizheniyanaukiitekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 5. Pp. 74-77 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-24512018-10519.