Some results of experimental modeling cylinder and piston group oil supplay conditions of the low-sized four-cycle diesel engine

Full Text

Введение Принято считать, что подача смазочного материала в основные трущиеся сопряжения ЦПГ поршневых двигателей с традиционным КШМ осуществляется путем разбрызгивания масла из зазоров вращающегося шатунного подшипника в результате совместного действия давления масла и центробежных сил инерции [1-4]. Кроме того, дополнительным (а часто и основным) механизмом маслоснабжения ЦПГ полагают конденсацию капель масла из так называемого масляного тумана, возникающего вследствие интенсивной аэрации картерного масла погружающимися в него вращающимися противовесами коленчатого вала [5, 6]. Известны схемы смазки деталей ЦПГ, использующие принцип струйной подачи масла из специально выполненных в стержне шатуна маслоподающих отверстий [7]. Отдельно наблюдаемые в ходе визуальной экспертизы (при разборке ЦПГ по причине отказа) случаи дефицита и даже отсутствия следов моторного масла на трущихся поверхностях сопряжения «цилиндр - юбка поршня» [8], соотносящиеся с обнаруживаемыми в ходе заводских моторных испытаний натиров и задиров поршней быстроходных дизелей, вынуждают проверить и уточнить целый ряд традиционных представлений об условиях маслоснабжения указанной группы деталей. Поскольку работа системы смазки (за исключением влияния на ее показатели вязкости моторного масла) не зависит от рабочего процесса поршневого двигателя, исследование процесса смазки вообще и струйной маслоподачи в частности вполне допустимо и, главное, удобно осуществлять в режиме прокрутки коленчатого вала без сжатия и сгорания в цилиндре, т.е. в условиях экспериментального моделирования. Макетная установка, особенность которой состоит в автономном (независимом от коленчатого вала) приводе масляного насоса, а также применении оптически прозрачных материалов для поршня и цилиндра [9, 10], была использована при выполнении данного исследования. Цель и задачи исследования Цель исследования состояла в выявлении реально существующего механизма процессов подачи масла на трущиеся поверхности сопряжения «цилиндр - поршень» четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Для достижения поставленной цели ставились и решались следующие задачи. 1. Наблюдение процесса истечения масла из зазоров шатунного подшипника в квазистатическом и динамическом режимах работы макетной установки. 2. Выявление условий и механизма попадания смазочного материала на трущуюся поверхность цилиндра. 3. Сопоставление характера маслоснабжения нагруженной и ненагруженной сторон стенки цилиндра. Объект, средство, метод и условия проведения исследования Объект моделирования - серийно выпускаемый дизель универсального назначения 1Ч 8,5/8,0 (ТМЗ-450Д) с воздушным охлаждением, имеющий отдельно установленный на блоке с помощью анкерных шпилек оребренный несущий цилиндр. Система смазки данного двигателя - комбинированная: часть трущихся поверхностей смазывается под давлением масла, часть - самотеком - разбрызгиванием (рис. 1). При проведении всех экспериментов маслоподающее отверстие в кривошипной головке шатуна (на рис. 1, поз. 11) было герметично заглушено. Это было обусловлено необходимостью временного исключения влияния всех иных, кроме вращающегося кривошипа, источников подачи масла в зону ЦПГ, что полностью соответствовало условиям смазки ЦПГ с традиционным КШМ. Средством моделирования выступила вышеупомянутая макетная установка на базе дизеля - объекта моделирования. Метод исследования - прямая визуализация (наблюдение, фото- и видеорегистрация) процессов истечения моторного масла из зазоров подшипников коленчатого вала и специальных маслоподающих отверстий в шатуне (при их наличии), а также поступления масла на трущиеся поверхности деталей ЦПГ. Условия проведения экспериментов на макетной установке: 1) квазистатический режим (автономная прокрутка электродвигателем шестеренчатого масляного насоса при неподвижном, а также медленно - не более 10 оборотов в минуту - проворачиваемом от руки или электродвигателя коленчатом валу); 2) динамический режим (автономная прокрутка электродвигателями масляного насоса и коленчатого вала, приводящего в движение поршень в цилиндре). Диапазон давлений масла, определяемый частотой вращений приводного вала масляного насоса: от 0,2 до 0,6 МПа (срабатывание редукционного клапана). Разбавление моторного масла дизельным топливом в специально подобранном соотношении легко позволяло без специального нагрева снизить вязкость смазочного материала до уровня, существующего в реальных условиях эксплуатации на любом интересующем режиме работы двигателя под нагрузкой. Для наблюдения процесса формирования струй на нижней, наиболее труднодоступной, полуповерхности шатунного подшипника использовали технический эндоскоп с подсветкой, видеокамера которого закреплялась на пластически деформируемой штанге и вводилась в зону наблюдения либо через технологическое отверстие в боковой стенке картера, либо сверху через открытое посадочное отверстие цилиндра. Визуальный мониторинг и фотовидеосъемка струеобразования на верхней полуповерхности шатунного подшипника велись непосредственно через цилиндровое отверстие в картере. Контрольные показатели: в количественном выражении: - фаза (угловая) существования струи масла; - частота вращения приводного вала масляного насоса; - частота вращения коленчатого вала; - давление масла в главной масляной магистрали; - температура масла в картере; - уровень масла в картере (по масломерному щупу и по прозрачной масломерной трубке); в качественном выражении: - зона возникновения, траектория и адресация струи масла; - характер маслоснабжения внутренней поверхности цилиндра (отсутствие, наличие; равномерность распределения слоя масла по окружности цилиндра). Результаты экспериментов и их обсуждение 1. Истечение струй масла из зазоров шатунного подшипника. Опыты показали, что при наличии рабочего давления масла в пределах указанного выше диапазона наблюдается разбрызгивание струй масла из зазоров неподвижного шатунного подшипника. При этом имеет место зависимость как формы, так и интенсивности истечения масла от расположения (перекоса) шатуна относительно шейки коленчатого вала в плоскости оси последнего, а именно: увеличивающийся при перекосе шатуна торцовый зазор обусловливает нарастание бокового стока масла; сторона истечения располагается противоположно направлению перекоса (рис. 2). В данном эксперименте перекос шатуна осуществляли вручную путем приложения усилия к верхней головке шатуна в плоскости коленчатого вала. Визуальные наблюдения процесса истечения масла из торцовых зазоров нижней полуповерхности шатунного подшипника показали, что в квазистатическом режиме работы установки моторное масло струей вытекает из обоих (левого и правого) торцовых зазоров поочередно. Первую половину такта - впуск (рабочий ход), когда поршень идет от ВМТ к НМТ, струя вытекает из правого торцового зазора, ориентированного к противоположной маховику стороне коленчатого вала, соответственно с постепенным усилением и после - ослаблением интенсивности. На второй половине этого такта происходит переход истечения струи на противоположную сторону шатунной шейки (правый торцовый зазор). Первую половину такта - выпуск (сжатие), когда поршень идет от НМТ к ВМТ, струя, наоборот, вытекает сначала из левого торцового зазора, расположенного ближе к маховику, обнаруживая аналогичный описанному выше характер изменения интенсивности. На второй половине хода ситуация с локализацией истечения снова «меняет знак». Таким образом, каждую половину хода поршня происходит цикличная смена локализации зоны истечения струи масла с одного торца шатунного подшипника на другой. 2. Механизм попадания масла в зазор сопряжения «цилиндр - поршень». Условия проведения опытов - специальный динамический режим работы установки, при котором поршень в цилиндре отсутствует, а осевое возвратно-поступательное движение верхней головки шатуна обеспечивает поршневой палец из политетрафторэтилена, установленный в прозрачном цилиндре без зазоров по торцам. В ходе экспериментов, выполненных при вращении коленчатого вала, но при отсутствии поршня в цилиндре, т.е. при действии не только давления, но и центробежных сил инерции на струю масла, установлено, что в отличие от квазистатического режима струйное истечение масла из торцовых зазоров переходит в более интенсивную форму - разбрызгивание, которого, однако, оказывается недостаточно для попадания смазочного материала на внутреннюю поверхность цилиндра: стенки последнего внутри оставались сухими на всем скоростном диапазоне испытаний, допускаемом условиями обеспечения надежности работы макетной установки (до 600 мин-1); после установки поршня в цилиндр ситуация с маслообеспечением ЦПГ коренным образом меняется: при тех же самых условиях испытаний масло с каждым ходом поршня от НМТ к ВМТ поступает на внутреннюю поверхность стенки цилиндра (рис. 3). а б Рис. 3. Маслоснабжение внутренней поверхности стенок цилиндра макетной установки в динамическом режиме испытаний при отсутствии (а) и наличии (б) поршня в цилиндре Результаты этих, многократно воспроизведенных, опытов позволили выявить и идентифицировать ранее не упоминавшуюся в литературе функцию поршня как своеобразного, циклически работающего транспортера смазочного материала от шатунной шейки кривошипа коленчатого вала к стенкам цилиндра. Тщательные визуальные наблюдения показали, что указанная функция поршня, которую можно назвать транспортной, состоит в том, чтобы за счет действия сил адгезии и инерции доставлять порции моторного масла, попадающего в результате разбрызгивания из торцовых зазоров вращающегося шатунного подшипника на нижнюю кромку юбки приходящего в НМТ поршня, на трущуюся поверхность цилиндра. Для ответа на вопрос: могло ли масло попадать на стенки цилиндра в результате заброса вращающимися противовесами, предположительно зачерпывающими масло из картера при прохождении поршнем ВМТ, был поставлен специальный эксперимент, заключающийся в определении минимального уровня масла в картере, возникающего в режиме работы масляного насоса, когда масло заполняет все полости и каналы системы смазки. Измерения, выполненные с помощью прозрачной трубки уровня масла, показали, что последний в режиме работы масляного насоса располагается гарантированно (не менее чем на 25 мм) ниже орбиты наиболее удаленной от оси коленчатого вала точки поверхности противовесов, что полностью исключает их контакт с моторным маслом в картере, а следовательно, и заброс масла на цилиндр при вращении коленчатого вала (рис. 4). 3. Маслоснабжение нагруженной и ненагруженной сторон стенки цилиндра. Анализ результатов визуального наблюдения, а также фото- и видеорегистрации состояния внутренних смазываемых поверхностей прозрачного цилиндра с поршнем в динамическом режиме испытаний однозначно указали на различную интенсивность маслоснабжения так называемых нагруженной (ориентированной против направления вращения кривошипа коленчатого вала) и ненагруженной действием максимальной боковой силы поршня сторон (полуповерхностей) стенки цилиндра. Это различие состояло в меньшем количестве моторного масла на нагруженной стороне по сравнению с ненагруженной стороной (рис. 5), что вполне объяснимо, если учесть ориентацию этих сторон по отношению к направлению вращения кривошипа коленчатого вала и принять инерционный заброс моторного масла из зазоров вращающегося шатунного подшипника с последующей реализацией транспортной функции поршня в качестве основного механизма маслоснабжения сопряжения «цилиндр - поршень». Описанный выше характер распределения смазочного материала по окружности цилиндра свидетельствует об определенной аномалии маслоснабжения, состоящей в том, что нагруженная боковой силой поршня сторона цилиндра, которая наиболее подвергается трению и изнашиванию, получает меньшее количество смазки, чем сторона ненагруженная. Полученная в результате макетного моделирования информация о процессе маслоснабжения цилиндра согласовывались с выводами экспериментального исследования [11] и гипотезой, изложенной в ранее опубликованной работе [12]. Заключение В ходе моделирования работы комбинированной системы смазки четырехтактного быстроходного малоразмерного дизеля с традиционным КШМ осуществлено прямое наблюдение механизма маслоснабжения ЦПГ; идентифицирована смазочная (транспортная) функция поршня, заключающаяся в переносе моторного масла, попадающего на нижнюю кромку юбки поршня в результате разбрызгивания из зазоров вращающегося шатунного подшипника на внутреннюю поверхность стенки цилиндра. Дополнительно подтверждена ранее выдвинутая гипотеза о неравномерности распределения масла по окружности цилиндра, состоящая в том, что нагруженная сторона стенки цилиндра получает масла меньше, чем ненагруженная. Полученная информация может быть использована для уточнения расчетных моделей работы системы смазки и модернизации ее элементов с целью повышения надежности и энергоэкономичности ДВС указанного типа. Рис. 1. Схема системы смазки дизеля - объекта исследования: 1 - картер дизеля; 2 - маслозаборник с сетчатым фильтром; 3 - масляный насос; 4 - датчик температуры масла; 5 - сверление в картере для подвода масла к насосу; 6 - коленчатый вал; 7 - шатун; 8 - поршень; 9 - сливной трубопровод; 10 - цилиндр; 11 - маслоподающее отверстие в кривошипной головке шатуна а б в Рис. 2. Высокая (а, б) и низкая (в) интенсивность струи, истекающей из зазоров неподвижного шатунного подшипника (верхняя полуповерхность) при различных направлении и величине перекоса шатуна относительно оси шатунной шейки: масляный насос работает, масло в главной масляной магистрали находится под давлением 0,5 МПа Рис. 4. Относительное расположение противовесов и уровней моторного масла в картере при неработающем (1) и работающем (2) масляном насосе а б Рис. 5. Сравнение характера маслоснабжения нагруженной (а) и ненагруженной (б) сторон стенки цилиндра в динамическом режиме работы макетной установки

About the authors

S. V Putintsev

Bauman Moscow State Technnical University

Email: putintsev50@yandex.ru
Dsc in Engineering

A. F Biktashev

Bauman Moscow State Technnical University

Email: putintsev50@yandex.ru

S. S Pilatskaya

Bauman Moscow State Technnical University

Email: putintsev50@yandex.ru

References

Supplementary files