Analysis and statement of problem of cylinder oil supply in four-stroke piston engine

Full Text

Надежность и энергоэкономичность современных быстроходных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автотракторного типа в значительной мере зависят от условий работы наиболее напряженных деталей, к которым в первую очередь относятся поршень, поршневой палец, поршневые кольца и цилиндр, составляющие так называемую цилиндро-поршневую группу (ЦПГ). Под условиями работы деталей указанной группы следует понимать целый ряд факторов, но прежде всего смазывание, или маслоснабжение, трущихся поверхностей основных сопряжений ЦПГ. К сожалению, вопрос маслоснабжения деталей ЦПГ исследован недостаточно. Так, в классических и современных работах по конструкции ДВС [1-3 и др.] в отношении наиболее распространенных поршневых быстроходных четырехтактных двигателей с системами смазки смешанного типа (подача моторного масла к парам трения под давлением и самотеком-разбрызгиванием) нет обоснованного результатами экспериментов или моделирования конкретного описания того, куда именно, в каком количестве, в какие моменты времени и за счет чего моторное масло попадает (или не попадает) в зоны трения сопряженных поверхностей деталей ЦПГ. Такая ситуация обусловлена не только сложностью рассматриваемого процесса, но и инертностью подходов к трактовке и объяснению непростых случаев, к каким с полным основанием можно отнести маслоснабжение ЦПГ. Обобщение сведений, касающихся конструкции, эксплуатации, а также результатов стендовых моторных испытаний ДВС автотракторного типа, позволяет считать, что присутствие моторного масла в зазорах деталей ЦПГ в общем случае может быть обеспечено его подачей под давлением, самотеком, инерционным забросом, разбрызгиванием и осаждением из масляного тумана (см. таблицу). Возможные способы маслоснабжения сопряжений ЦПГ четырехтактного ДВС Сопряжение ЦПГ Способ маслоснабжения Цилиндр - поршневое кольцо 1. Осаждением из масляного тумана. 2. Инерционным забросом при остановке поршня в ВМТ и НМТ. 3. Разбрызгиванием из зазоров вращающейся шатунной шейки. Поршневой палец - втулка шатуна 1. Подачей под давлением через сверление в стержне шатуна. 2. Инерционным забросом при остановке поршня в НМТ. 3. Разбрызгиванием струей масляного охлаждения внутренней полости поршня (частично и при наличии указанного охлаждения). 4. Самотеком по стенкам внутренней полости поршня и наружной поверхности бобышек. 5. Осаждением из масляного тумана. Поршневой палец - бобышка поршня 1. Инерционным забросом при остановке поршня в ВМТ. 2. Разбрызгиванием струей масляного охлаждения внутренней полости поршня (частично и при наличии указанного охлаждения). 3. Самотеком по стенкам внутренней полости поршня и наружной поверхности бобышек. 4. Осаждением из масляного тумана. Цилиндр - юбка поршня 1. Разбрызгиванием из зазоров вращающейся шатунной шейки. 2. Разбрызгиванием струей масляного охлаждения внутренней полости поршня (частично и при наличии указанного охлаждения). 3. Осаждением из масляного тумана. Из приведенных в таблице четырех сопряжений наиболее подвержены риску износа и задира пары «цилиндр - поршневое кольцо» и «цилиндр - поршень», поэтому именно их маслоснабжение представляет особый интерес. С учетом того, что доставка моторного масла к парам трения инерционным забросом при остановке поршня в верхней и нижней мертвых точках (ВМТ и НМТ) и самотеком носит скорее гипотетический, чем строго обоснованный характер, в первую очередь имеет смысл рассмотреть способы маслоснабжения осаждением из масляного тумана и разбрызгиванием из зазоров вращающейся шатунной шейки кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Наиболее полное определение и изучение субстанции «масляный туман» дано в работах по методам санитарно-химического анализа вредных и опасных веществ [4], а ее смазочных свойств - в работах по промышленному оборудованию [5]. В первых указывается, что масляный туман представляет собой вредную для органов дыхания человека смесь воздуха с мельчайшими (до 20 мкм в диаметре) взвешенными в нем частицами масла концентрацией от 1 до 5 г/см3, идентифицируемую флуоресцентным методом в результате визуального контроля сине-фиолетового свечения при ультрафиолетовом облучении пробы в среде дихлорэтана. Во вторых сообщается о преимуществах использования масляного тумана при организации смазки легконагруженных подшипников: простоте создания условий для возникновения масляного тумана, минимизации расхода смазочного материала, отсутствии затрат на создание циркуляционной системы смазки. Однако в отличие от легконагруженных подшипников, работающих, как правило, с постоянной по знаку и величине частотой вращения, детали ЦПГ быстроходных ДВС - высоко- и знакопеременно нагруженные. Кроме того, и это особенно важно, характер движения этих деталей реверсивный, сопровождающийся сменой сторон прилегания (перекладкой) контактирующих поверхностей. Это сравнение косвенно указывает на то, что одного масляного тумана явно недостаточно для требуемого маслоснабжения ЦПГ ДВС. Более подробный анализ, опирающийся на результаты экспериментов, позволяет найти не только косвенные, но и прямые доказательства недостаточности масляного тумана для смазывания деталей ЦПГ. Например, если допустить, что масляный туман - единственный фактор, обеспечивающий присутствие смазочного материала в сопряжении цилиндра с поршнем, то, исходя из природы масляного тумана как двухфазной гетерогенной дисперсной среды (другое название - аэрозоль), следует ожидать равномерного распределения смазки по всей внутренней поверхности цилиндра, открываемой при движении поршня для доступа и осаждения на ней частиц моторного масла. В таком случае при симметричном характере нагружения цилиндра боковой силой поршня должно иметь место одинаковое тепловыделение от трения поршня с кольцами о цилиндр на противоположных сторонах цилиндра в плоскости качания шатуна. Симметричный характер нагружения противолежащих сторон стенки цилиндра может быть получен лишь в режиме прокрутки двигателя без сжатия и сгорания, когда боковая сила поршня определяется исключительно силой инерции, пропорциональной в рассматриваемом случае косинусу угла поворота коленчатого вала (ПКВ). Если для чистоты эксперимента дополнительно отключить охлаждение цилиндров, то установившиеся значения температур стенки цилиндра на противоположных его сторонах в плоскости качания шатуна при прокрутке двигателя без сжатия и сгорания будут адекватно отражать работу сил трения в сопряжении «поршень - цилиндр». При выполнении принципа прочих равных условий эта работа сил трения может выступать в роли индикатора маслоснабжения по признаку: высокая температура (работа сил трения) - следствие недостатка моторного масла на сопряженных поверхностях деталей, и наоборот. Таким образом, при выполнении перечисленных условий эксперимента в сходственных зеркально расположенных на противоположных сторонах стенки цилиндра точках должны быть одинаковые (в пределах погрешности измерения) температуры. Если же температуры окажутся значимо различными, то этот результат следует трактовать так: масляный туман не единственный фактор, обусловливающий маслоснабжение сопряжения «поршень - цилиндр». Указанные условия строго воспроизведены в работе [6] при выполнении экспериментального исследования влияния служебных свойств различных моторных масел на механические потери в ЦПГ быстроходного малоразмерного дизеля (рис. 1). Из сопоставления представленных на рис. 1 температур стенки цилиндра в плоскости качания шатуна слева и справа от центральной оси цилиндра видно, что независимо от типа моторного масла правая сторона цилиндра имеет температуру на 2-4 оС выше, чем левая. С учетом абсолютной погрешности измерения температуры в данном эксперименте ±0,5 оС такая разница обусловленных трением температур может быть признана результатом, указывающим на то, что маслоснабжение цилиндра отличается неравномерностью по развертке его окружности, а значит, не может быть связано только с осаждением частиц моторного масла из масляного тумана. Асимметрию теплового состояния цилиндра при симметричном относительно правой и левой его сторон характере силового нагружения в описанном опыте создало некое дополнительное маслоснабжение одной из полуокружностей внутренней поверхности цилиндра. Из схемы на рис. 2 видно, что независимо от формы шлейфа масла (на рис. 2 не показан), вытекающего из вращающейся шатунной шейки, забрасывание масла осуществляется преимущественно на правую полуокружность внутренней поверхности цилиндра. Наиболее вероятно, что это и вызывает отмеченную асимметрию теплового состояния как следствие такого маслоснабжения, при котором левая полуокружность внутренней поверхности цилиндра в плоскости качания шатуна испытывает недостаток, а правая - избыток моторного масла. Имеет смысл напомнить, что в динамическом отношении в плоскости качания шатуна левая сторона цилиндра более нагружена, чем правая, что вызвано известной асимметрией характера боковой силы поршня на тактах сжатия и расширения в четырехтактных ДВС (рис. 3) [6]. Неслучайно в работах по динамике, трибологии, а также описаниях патентов в этой области (например US Patent 7827942B2, 4108118A) для четырехтактных поршневых двигателей левую, согласно схеме на рис. 2, сторону цилиндра называют нагруженной, а правую - ненагруженной: TS (Thrust Side), ATS (Antithrust Side); DS (Druck Seite), ADS (Antidruck Seite) и т.п. [7, 8]. Отмеченное обстоятельство еще более усугубляет ситуацию с маслоснабжением ЦПГ, поскольку получается, что нагруженная сторона стенки цилиндра испытывает дефицит моторного масла, а ненагруженная - его избыток. Результат - устойчиво наблюдаемый в эксплуатации факт превышения износа левой стороны цилиндра по сравнению с правой, а также интенсивный натир (а в целом ряде случаев задир) левой, обращенной к нагруженной стенке цилиндра, стороны юбки поршня при отсутствии следов контактирования с цилиндром на противоположной ее стороне [9]. Основываясь на сказанном выше, можно сформулировать задачу, решение которой позволит улучшить ситуацию с маслоснабжением ЦПГ четырехтактных поршневых ДВС. Требуется разработка учитывающей геометрические соотношения и кинематику ЦПГ и КШМ четырехтактного ДВС, а также параметры (состояние) моторного масла расчетной модели маслоснабжения цилиндра разбрызгиванием из зазоров вращающейся шатунной шейки. Расчетная модель должна включать основные детали ЦПГ, позволять визуализировать процесс попадания масла на внутреннюю поверхность стенки цилиндра и допускать внесение изменений в конструкцию и/или кинематику деталей с целью оптимизации маслоснабжения. С учетом возможностей, предоставляемых современными пакетами программ моделирования FlowVision и ANSYS Fluent, решение такой задачи вполне достижимо. Для идентификации модели нужно проведение эксперимента, дающего возможность визуализировать процесс подачи масла или хотя бы надежно регистрировать его количество в контрольных точках развертки внутренней поверхности цилиндра. Поиск и, главное, нахождение технических решений улучшения маслоснабжения ЦПГ четырехтактных поршневых ДВС будут способствовать существенному повышению надежности, а также ресурсо- и энергосбережения отечественных двигателей автотракторного типа.

About the authors

S. V Putintsev

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: putintsev50@yandex.ru

References

Supplementary files