Experimental research of conditions of cylinder oil supply in high-speed four-stroke internal-combustion engine

Full Text

Введение В статье [1] поднята актуальная проблема недостаточной изученности условий смазки деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) в быстроходных четырехтактных двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Выдвинута гипотеза о том, что при использовании в указанных двигателях традиционного кривошипно-шатунного механизма (КШМ) с комбинированной системой смазки существует вероятность аномального маслоснабжения цилиндра, при котором максимально нагруженная боковой силой сторона цилиндра недополучает моторное масло, а противолежащая, менее нагруженная сторона, наоборот, получает его в избытке, что не отвечает принципу трибоадаптивности и приводит к ухудшению условий смазки, трению и изнашиванию [2-4]. Данная статья представляет продолжение, конкретизацию и частичную разработку ряда упомянутых выше положений. Цель исследования Цель исследования - получение экспериментальных данных о характере распределения моторного масла по окружности цилиндра ДВС указанного типа. Для ее достижения поставлены следующие задачи: 1) разработка метода и реализующего этот метод устройства (установки) для контроля количества моторного масла, попадающего на противоположные относительно плоскости коленчатого вала нагруженную и ненагруженную стороны стенки цилиндра; 2) изготовление и отладка экспериментальной установки; 3) выполнение эксперимента по качественной и количественной оценке характера маслоснабжения цилиндра быстроходного четырехтактного ДВС. В качестве объекта исследования, как и в работе [1], выбран полностью отвечающий требованиям касательно типа КШМ и системы смазки одноцилиндровый четырехтактный дизельный двигатель с воздушным охлаждением 1Ч 85/80 (ТМЗ-450Д), выпускаемый ПО «Туламашзавод». Материалы и методы В основу метода экспериментального контроля количества моторного масла, попадающего на противолежащие стенки цилиндра, положена идея частичного дренажа (вывода наружу) масла, снимаемого поршневыми кольцами с внутренней поверхности цилиндра, через специально выполненные маслосборные отверстия в стенке цилиндра. В качестве физических причин выхода моторного масла по дренажным отверстиям рассматривались известное превышение (перепад) давления картерных газов ниже пояса поршневых колец над атмосферным давлением за пределами цилиндра, а также скребковый эффект колец при прямом ходе поршня от верхней мертвой точки к нижней (ВМТ и НМТ). Гипотетический характер приведенного положения обусловлен тем, что не найдено аналогов такого опыта, поэтому не было гарантии осуществимости дренажа масла. Для реализации метода маслосборные отверстия были выполнены в сечении цилиндра, расположенном на уровне огневого пояса головы поршня при положении последнего в НМТ. Это обеспечивало, во-первых, прохождение всех поршневых колец комплекта через отверстия, во-вторых, отсутствие перекрытия отверстий поршнем при его положении в ВМТ (рис. 1). Для вывода собираемого масла за пределы стенки цилиндра в каждое из маслосборных отверстий были герметично установлены тонкостенные трубки (материал - латунь) с наружным диаметром 3 мм. Перед проведением опытов предусматривалось надевание удлинителей на эти трубки в виде прозрачных полихлорвиниловых трубок, которые предназначались для визуального контроля процесса дренажа масла (при нахождении наблюдателя вблизи двигателя) в ходе опыта, а после его окончания - для определения количества собранного масла (рис. 2). Вопрос о том, чем должны заканчиваться трубки-удлинители - открытым, глухим концом или специально установленным обратным клапаном - до проведения опытов не был решен, поскольку, как указывалось выше, характер и сама осуществимость процесса дренажа масла не были заранее известны. В этих условиях целесообразно было начать опыт с самого простого варианта, подразумевающего открытый свободный конец трубок-удлинителей. Небольшое четное число дренажных отверстий (6 шт.) выбрано из-за стремления сохранить прочность стенки цилиндра и обеспечить равные условия для съема масла с противолежащих нагруженной и ненагруженной сторон. С этой же целью выбрана одинаковая полная длина каждой из шести полихлорвиниловых трубок-удлинителей (рис. 3), равная 300 мм (чтобы свободные концы трубок не касались поверхности подмоторной рамы). Поскольку условия маслоснабжения цилиндра данного дизеля (как и других четырехтактных быстроходных ДВС с комбинированной системой смазки) не зависят от наличия или отсутствия сгорания топлива, в качестве основного режима испытаний принята прокрутка коленчатого вала от постороннего источника - балансирной машины. Соответствующая решению этой задачи экспериментальная установка (рис. 4) представляла собой соединенный с валом балансирной машины дизель ТМЗ-450Д в безмоторной комплектации (система питания демонтирована) с установленным на его блоке опытным цилиндром. При использовании этой установки обеспечивалось полное геометрическое, кинематическое и физическое подобие объекту. В работу имеющейся на дизеле системы смазки не вносилось никаких изменений или нарушений, если не считать отсутствия нагрева масла от сгорания топлива (компенсация этого несоответствия описана ниже) и предусмотренной испытаниями незначительной убыли моторного масла в ходе ожидаемого дренажа, соизмеримой с естественной потерей масла в процессе, например, утечки через неплотности. Предусматривалось осуществление прокрутки в двух вариантах работы установки: со сжатием и без сжатия воздуха в цилиндре. Второй вариант обеспечивался снятием с головы цилиндра клапанов, форсунки и свечи предпускового подогрева, чем гарантировалось отсутствие нагрева цилиндра от сжатия поступающего в него воздуха. Это было необходимо для измерения температурных полей цилиндра, обусловленных трением поршня с кольцами [5]. Объединение двух направлений исследования объясняется попыткой оценить перспективы осуществления многозадачного эксперимента на применяемой установке. Неизбежное отличие (снижение) температуры моторного масла в системе смазки установки от реальной температуры в работающем под нагрузкой дизеле компенсировалось отказом от принудительного охлаждения цилиндра благодаря установке стального экрана на пути потока охлаждающего воздуха от вентилятора-маховика. Это, вкупе с использованием предельного скоростного режима прокрутки, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала 3600 мин-1, позволяло поднять только за счет трения в ЦПГ и КШМ температуру масла до значений, входящих в рабочий диапазон этого показателя для данного дизеля: 70-85 °С. Контроль температуры моторного масла в системе смазки осуществляли с помощью термопары Х-К, спай которой был размещен на конце масломерного щупа установки. Продолжительность прокрутки в каждом опыте определялась временем заполнения маслом любой первой из шести трубок-удлинителей, после чего дальнейшее продолжение прокрутки не имело смысла из-за риска потери информации. Количество масла, снятого с каждой из сравниваемых сторон стенки цилиндра, предполагалось определять как суммарную длину столба масла (за вычетом длины воздушных прослоек) в трубках-удлинителях, связанных с соответствующими отверстиями в стенке цилиндра: 1-3 - для нагруженной стороны; 4-6 - для ненагруженной (см. рис. 1). С целью повышения достоверности результатов предусматривалось повторение каждого опыта при идентичных начальных условиях. На поршень, представление о конструкции которого дает рис. 1, устанавливали серийный комплект поршневых колец, включающий два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. При проведении испытаний использовался смазочный материал, рекомендованный к применению заводом-изготовителем объекта испытаний, - дизельное минеральное моторное масло SAE 30 API CC (М-10 Г2К) производства компании Oilright (Россия). Перед первой серией опытов свежее моторное масло в требуемом количестве (2 л) заливалось до уровня, контролируемого с помощью масломерного щупа, и в процессе исследования добавлялось при необходимости. Результаты и их обсуждение Пробные прокрутки коленчатого вала показали, что снимаемое поршневыми кольцами со стенки цилиндра масло пульсациями поступает в трубки-удлинители в виде пены, что практически не позволяет выполнить ни качественную, ни количественную оценку маслоснабжения цилиндра. Приемлемая для решения задач эксперимента сплошность столбов масла (с единичными и четкими по границе воздушными прослойками) была достигнута благодаря узлам, завязанным на свободных концах трубок (рис. 5). Вероятнее всего, каждый из этих вручную выполненных узлов в совокупности с упругостью стенок трубок-удлинителей работал как обратный клапан, который стравливал из трубок воздух и обеспечивал тем самым их заполнение маслом. Обработка полученных результатов показала, что как для первого, так и для второго варианта работы установки общий и устойчивый факт - значимое превышение суммарного количества масла в трубках, расположенных с ненагруженной стороны стенки цилиндра (НН), над количеством масла в трубках с нагруженной стороны (Н). В частности, для варианта прокрутки со сжатием воздуха в цилиндре оно составило соответственно 738 и 626 мм, или 18% по отношению к результату для нагруженной стороны (рис. 6). Отсутствие сжатия воздуха в цилиндре не оказало существенного влияния на результаты сравнения маслоснабжения нагруженной и ненагруженной сторон его стенки. Так, снова имело место превышение количества масла, собранного с ненагруженной стороны стенки цилиндра, его относительное значение составило около 15%. Однако при прокрутке без сжатия воздуха в цилиндре отмечена примерно втрое меньшая скорость поступления масла в трубки, чем при прокрутке со сжатием, на что указала продолжительность заполнения трубок маслом: 40 и 15 мин соответственно. Наблюдаемое на рис. 6 некоторое превышение количества масла, собранного удаленными от центральной зоны (плоскости качания шатуна) трубками 1, 3, 4 и 6, по сравнению с трубками 2 и 5, расположенными по центру, может быть объяснено доминированием заброса масла из зазоров на противолежащих боковых поверхностях вращающейся шатунной шейки коленчатого вала. Представленный на рис. 6 характер маслоснабжения, при котором ненагруженная сторона цилиндра получает больше масла, чем нагруженная, аномален, поскольку противоречит принципу согласования условий смазки с условиями нагружения: во избежание масляного голодания и, как следствие, повышенного износа и задира, нагруженная сторона стенки цилиндра должна получать соответствующее нагрузке, т.е. большее количество смазочного материала, чем ненагруженная. Несмотря на ограниченность рамками одной методики и объекта, полученные результаты в целом подтвердили гипотезу о существовании аномальной неравномерности распределения масла по характерным сторонам стенки цилиндра. Это говорит в пользу продолжения работ по изучению особенностей маслоснабжения цилиндров данного типа ДВС для повышения надежности их работы. Выводы 1. Разработана, отлажена и проверена на эффективность применения установка для количественной оценки маслоснабжения внутренней поверхности цилиндра четырехтактного ДВС с комбинированной системой смазки. 2. В результате проведенных экспериментов установлено, что применительно к конструкции дизеля 1Ч 85/80 (ТМЗ-450Д) суммарное количество моторного масла, собранного с ненагруженной стороны стенки цилиндра, при прочих равных условиях устойчиво превышает на 15-18% аналогичный показатель для противолежащей нагруженной стороны. Это противоречит принципу согласования условий смазки с условиями нагружения узла трения и может стать причиной повышенного износа и задира в ЦПГ. 3. Несмотря на ограниченность рамками одной методики и объекта, полученные результаты свидетельствуют о целесообразности продолжения изучения особенностей маслоснабжения цилиндров двигателей указанного типа для повышения надежности их работы.

About the authors

S. V Putintsev

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: putintsev50@yandex.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

A. G Ageev

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Engineer Moscow, Russia

References

Supplementary files