Разработка метода и стенда для ускоренной оценки влияния эксплуатационных факторов на нагарообразование в дизелях

Пути дальнейшего развития материально-технической базы сельского хозяйства определены решениями ХХУ1 съезда КПСС и Майского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС, утвердившего Продовольственную программу СССР на период до 1990 года. Непрерывный рост энерговооруженности сельского хозяйства основан на внедрении в производство новой высокопроизводительной, высококачественной и надежной техники. Одной из главных задач предприятий тракторного и сельскохозяйственного машиностроения на предстоящие годы является значительное повышение долговечности, эксплуатационной надежности и единичной мощности двигателей энергонасыщенных сельскохозяйственных тракторов. Особое внимание на необходимость повышения надежности выпускаемых машин обращено в Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров CJCCP «О мерах по дальнейше"(Ог повышению технического уровня и качества машин и оборудования для сельского хозяйства и поставок их в I983-I990 годах» .Современные тенденции в конструировании двигателей внутреннего сгорания (две) определяются стремлением к форсированию за счет увеличения среднего эффективного давления или частоты вращения, а часто и за счет одновременного увеличения этих показателей. В свете задач, определенных энергетической программой по экономии и рациональнок^г использованию топливно-энергетических ресурсов, для организаций, производящих и эксплуатирующих ДВС, крайне важным является изучение физико-химических и эксплуатационных свойств горюче-смазочных материалов (ГСМ) — условий работы и процессов качественного и количественного изменения ГСМ в двигателяхустановление закономерностей, связывающих качество топлива и смазочных материалов с надежностью, долговечностью и экономичностью двигателей, а также установление оптимальных требований к качеству ГСМ и определение условий их рационального использованияразработка и обоснование норм расхода ГСМ в эксплуатацииклассификация различных сортов ГСМ и их унификациясоздание комплексных методов оценки эксплуатационных свойств ГСМ и проведение испытаний по этим комплексам. В Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов от 30 июня I98I года сказано, что решение важной проблемы — увеличение долговечности и повышение надежности ДВС сельскохозяйственного нб1значения — возможно только при значительном улучшении качества топлива и смазочных моторных масел. Качество топлива и моторного масла оказывает значительное взаимное влияние на надежность и экономичность работы ДВС /12, 13/.Выдвиг€ 1я требования к качеству моторного масла для любой модели двигателя необходимо учитыватьтермическую и механическую напряженность его конкретных узлов и деталейособенности рабочего процесса двигателявид применяемого топливахарактеристику его пусковой системы и эффективность системы очистки маслаосновные свойства применяемых конструкционных материалов и резинотехнических изделийусловия эксплуатации двигателейсроки их технического обслуживания, — все это в совокупности определяет химмотологические основы конструирования и эксплуатации двигателя. Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее массовыми потребителями горюче-смазочных материалов. Поэтовщг, суммарные затраты на топливо и масла в процессе эксплуатации двигаб телей до капитального ремонта в несколько раз превосходят их стоимость. Снижение качества ГСМ или их повышенный расход наносит народному хозяйству большой экономический ущерб. Например, применение высокосернистого дизельного топлива на тракторах приводит к дополнительным затратам на каждую израсходованную тонну топлива: на запасные части — 1,2 руб.- на моторные масла — 1,6 руб., на техническое обслуживание — 1,3 руб.- на ремонт — 5,8 руб. /22/. Из-за нерационального использования смазочных материалов потери для отдельных моделей превышают 7 руб. на I тонну дизельного топлива. Двигатели разной степени форсирования, конструктивного исполнения и эксплуатирующиеся в различных условиях неодинаково требовательны к качеству моторных масел, поэтому для каждой конкретной группы двигателей необходимо использовать масла с оптимальным уровнем моторных свойств. Вместе с тем на практике нередко наблюдаются случаи, когда товарные масла существенно уступают по качеству опытным, по результатам испытаний которых они ставились на производство. Одной из причин этого является недостаточная проверка эксплуатационных свойств выпускаемых масел на специальных установках и двигателях. Качество моторного масла и конструкция двигателя взаимосвязаны и дополняют друг друга. Поэтому соверпенствование конструкции двигателя в направлении улучшения условий работы в нем масла и повышение качества самого масла должны идти параллельно. Это не только обеспечивает надежность работы двигателей, но и является предпосылкой для их дальнейшего форсирования и снижения расхода моторного масла. В результате форсирования автотракторных двигателей наблюдается резкий рост температурного и нагрузочного режимов работы их деталей. Высокотемпературный режим работы двигателя наиболее опасен с точки зрения нагаров и лаков на деталях цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и закоксовывания поршневых колец. На вопросы борьбы с загрязнением двигателей серьезное внимание было обращено еще 60 лет назад /45, 85, 99, 114, 72/, В зависимости от конструктивных особенностей двигателей или условий их эксплуатации, внимание исследователей было обращено то к opfioigy, то к другому вопросу, приобретавшему в данный момент наибольшую остроту. Так, с 1926 по 1936 год основное внимание исследователей уделялось вопросам нагарообразования в двигателях, С 1936 года начала приобретать проблема пригорания поршневых колец, в связи с чем большое внимание было обращено на лакообразование. Начиная с 1944 года и примерно до 1949 года большинство работ было посвящено образованию осадков в двигателе. G тех пор в различных странах непрерывно ведутся работы по изучению причин и раскрытию механизма образования нагаров и лаков, по изучению факторов, под действием которых они образуются. Над проблемой нагарообразования работали и работают такие видные ученые, как В. Р. Вильямс, В, Н. Болтинский, К. К. Папок, А. В. Виппер, Б. В. Лосиков, Б. Б. Кролль, В. И. Еланский, Г. Р. Вайнштейн, И. А. Трактовенко, Е. В. Гулин, Н. Б. Семенов, Н. И. Итинская, М. А. Григорьев и другие, В последние годы в связи с форсированием двигателей и реализацией многотопливности исследователи активно занимаются проблемой образования нагара, ставшего серьезным препятствием на пути дальнейшего развития двигателей. Одним из наиболее важных вопросов этой проблемы является разработка методов и технологии ускоренных испытаний двигателей на нагарообразование в цилиндрах в связи с режимами их работы, конструктивными особенностями и физико-химическими свойствами смазочных материалов. Настоящая работа посвящена разработке ускоренного метода лако-нагарообразования в ДВС, в ней также приводятся результаты исследований по реализации разработанного метода при испытании различных топлив, моторных масел и присадок к ним, поршневых колец повышенной маслосъемной способности на лако-нагарообразование. I, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛВДОВАНИЙ.

Результаты исследования содержания продуктов окисления в нагароотложениях в условиях рядовой эксплуатации.

Наработка Спирты Кислоты Соли Кетоны моточас кислот.

1Ш порой голов. порш. голов. порш. голов. порш голов.

I. 238 48,6 74,5 11,8 26,0 9,20 14,3 6,40 17,2.

2. 484 54,5 50,2 14,3 22,2 10,0 13,8 7,20 И, 1.

3. 718 50,3 30,2 14,0 21,3 10,0 13,2 10,1 5,60.

4. 960 28,2 38,4 13,6 20,4 9,90 7,40 15,0 9,80.

5. 1230 30,7 26,2 13,0 20,0 10,2 7,80 21,2 И, 1.

6. 1407 29,8 22,0 17,7 12,4 12,2 12,0 21,0 18,2.

7. 1621 28,3 23,0 10,2 17,0 12,0 17,7 21,3 18,5.

8. 2070 26,4 22,8 10,4 15,0 13,2 20,1 24,5 19,0.

9. 2278 25,8 24,2 10,0 14,1 17,2 20,9 25,0 19,2.

10. 2527 27,0 23,4 8,20 13,2 18,0 21,2 23,9 18,9.

И. 2607 26,4 23,3 8,10 10,2 19,3 25,0 24,0 19,3.

Примечание: из общего количества исследуемых тракторов в таблице приведены данные, наиболее наглядно характеризующие исследуемые процессы.

На поршне до 1000 моточасов происходит процесс накопления соединений, содержащих. кетонные группы. После 900 моточасов происходит процесс более глубокого окисления. Характер изменения содержания соединений, содержащих кетонные группы, плавный. Можно считать, что в течение периода эксплуатации содержание кетогрупп относительно постоянно.

Влияние наработки на накопление соединений, содержащих кислоты в нагароотложениях, следующее (рис. 4.10.): на поршне количество кислот растет по мере наработки, образовывающиеся при этом продукты претерпевают более глубокие измененияна головке цилиндра содержание кислот падает до 1000 моточасов, затем растет. Дать однозначное объяснение данному явлению затруднительно, Можно предположить, что в первые часы работы двигателя идет глубокая деструкция образовавшихся отложений кислотного характера с образованием продуктов графитного характера. По мере их накопления увеличивается объем и плотность нагара, снижается его теплопроводность. Это тормозит процесс глубокой деструкции соединений кислых продуктов нагара и вызывает дальнейшее повышение содержания кислотных групп в нагарах. Однако, подтверждение данного предположения требует дополнительных исследований.

Соли кислот, как наиболее тяжелые продукты окисления, при наработке ведут себя следующим образом Срис.4,10.): на поршне накопление солей кислот в нагароотложениях до 600 моточасов происходит медленно, затем резкое увеличение до 1200 моточасов и затем содержание солей карбоновых кислот стабилизируетсяна головке цилиндра до 600 моточасов уменьшение солей кислот, до 1300 моточасов — резкий рост. Объяснение данного процесса не представляется возможным без дополнительных исследований. Можно предположить, что в начале работы двигателя образование и накопление солей кислот в нагарах происходит за счет металла присадки, в дальнейшем происходит выгорание этих продуктов. А содержание металлических продуктов износа конструкционных материалов еще мало. По мере работы двигателя в нем накапливаются продукты износа конструкционных материалов, что приводит к дальнейшему росту содержания солей кислот в нагароотложениях. После 1300 моточасов процесс стабилизируется.

На основании проведенных исследований можно сказать, что все окислительные процессы нагара протекают в интервале до 1200 моточасов. После 1200.1300 моточасов процессы стабилизируются. Характер протекания процессов окисления нагаров в условиях эксплуатации идентичен закономерностям окисления продуктов органического происхождения. Химический состав нагароотложений сходен с результатами исследований М. А. Григорьева /27/. У М. А. Григорьева дан анализ нагароотложений после 150 часовых эксплуатационных испытаний дизельного двигателя и за пробег автомобиля 100 тыс. км с карбюраторным двигателем. Б исследованиях, представленных в данной работе, с помощью ИК-спектроскопии проведен анализ динамики накопления продуктов окисления в нагароотложениях в зависимости от наработки дизельного двигателя. Проведенные исследования дополняют данные работы /27/. Зная химический состав нагара можно определить примерную наработку двигателя.

При рассмотрении динамики накопления металлов в нагароотложениях в процессе эксплуатации (табл.4.2.) выявлено увеличение продуктов абразивного (Fe) и коррозийного (№) износов по мере наработки. На поршне прирост алюминия стабилизируется после 1400 моточасов (рис. 4.II). Это объясняется тем, что после 1400.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

I. Расчетно-теоретическим анализом температурного состояния деталей цилиндро-поршневой группы дизеля 24 10,5/12 (Д-21А) установлены оптимальные соотношения цикловых подач и углов подачи топлива специального рабочего цикла с тройной раздельной подачей топлива, обеспечивающие повышение температуры поршня и головки цилиндров дизеля на 45.60°С по сравнению с нормальным рабочим циклом, и интенсифицирующие процесс нагароотложений на деталях цилиндра. При этом соотношения цикловых подач и углов оптимальной подачи топлива составляют: ^ц^ &-о% q Цн t.

9И2=30%Яцн 'Чц3 = ^%9цн, @< = 30°п.к.а. АО ШТ, 02=5°п.к.в. после ЬМТ, ©-з = 30° п.к.ь. после ВМТ.

2. На основе специального цикла дизеля с трехразовой подачей топлива разработан метод и стенд для ускоренных испытаний дизеля на нагарообразование в цилиндре, в котором обеспечивается повышение температуры поршня до 300.320°С в зоне активной локализации нагара, и огневой поверхности головки цилиндров до ЗОО. ЗЮ°С за счет реализации установленных соотношений цикловых подач и углов оптимальной подачи топлива. Разработанный метод ускоренных испытаний защищен авторским свидетельством.

3. Для обоснования температурного режима дизеля в условиях ускоренных испытаний на нагарообразование в цилиндре экспериментально исследовано температурное состояние деталей цилиндра при наблюдаемых отклонениях регулировок топливоподающей аппаратуры дизелей в эксплуатации (цикловая подача превышает номинальную на 20%, угол начала подачи топлива составляет 36° п.к.в. до ВМТ, номинальная частота вращения равна 2000 об/мин) и в условиях специального цикла с трехразовой подачей топлива. При этом установлено, что температура дншца поршня в условиях специального цикла составляет 295.320°С, в условиях рядовой эксплуатации с комплексом возможных разрегулировок топливопо-дающей аппаратуры — 300.360°С. Исследование надежности поршня по тепловоз состоянию с использованием метода конечных элементов подтверждает правильность обоснования параметров специального рабочего цикла для организации ускоренных испытаний дизеля на нагарообразование в цилиндре.

4. На основе эксплуатационных и длительных стендовых испытаний обоснована продолжительность ускоренных испытаний дизеля на нагарообразование, которая составляет 8 часов. При этом в условиях ускоренных испытаний количественные и качественные характеристики нагаров в основном соответствуют полученным при длительных стендовых и эксплуатационных испытаниях. Так, например, количество продуктов окисления (кетоны) и продуктов износа (железо) в нагароотложениях, определенное с помощью инфракрасного спектрофотометра и рентгено-флуорисцентного квантомет-ра, составило соответственно для эксплуатационных, стендовых и ускоренных испытаний 26,0 $- 23,3 $- 20,5 $ и 0,13 $- 0,14 $- 0,1 $. Выявлена характерная локальность нагарообразования на днище поршня и огневой поверхности головки цилиндров. По основным показателям нагары при ускоренных испытаниях соответствуют полученным на ИКМ по ГОСТ 20 457–75.

5. Определены относительные коэффициенты сопоставимости сравнительных показателей рабочего цикла и показателей нагарообразования. В результате сравнительных ускоренных испытаний дизеля на нагарообразование при введении в картерное масло твердых ингибиторов (каптакса, 2-хлорфентиазина, ДТФ, адамантана, олово-натриевого сплава) установлено, что ингибиторы уменьшают количество нагара на деталях ЦПГ на 12.14,5%. Выполненные исследования показали, что с помощью разработанного метода ускоренных испытаний можно оценить влияние различных видов масел и присадок к ним на нагарообразование в цилиндре дизеля.

6. В результате выполненных лабораторных исследований по применению твердых ингибиторов, введенных в смазочную систему дизеля установлено, что ингибитор каптакс обладает противоиз-носными свойствами снижая на 40% количество поступающего в кар-терное масло железа по сравнению с базовым масломингибитор ДТФ обладает антиокислительными свойствами, уменьшая толщину нагара на 34,2% по сравнению с базовым маслом. Разработанный метод позволяет дифференцировать твердые ингибиторы присадок по их целевому назначению.

7. Комплексные исследования разработанным ускоренным методом влияния различных видов топлив широкого фракционного состава на нагарообразование показали, что топливо ТУФС необходимо использовать в качестве моторного с добавлением антинагарной присадки.

8. Установлено, что применение поршневых колец повышенной маслосъемной способности обеспечило снижение расхода картерно-го масла на угар на 24% (0,6% от расхода топлива) и уменьшение показателей на поршне и головке на 16%.

9. Разработанный метод позволяет снизить продолжительность испытаний дизеля на нагарообразование в пять раз по сравнению с известным методом по ГОСТ 20 457–75.

Расчетный экономический эффект от применения метода ускоренных испытаний дизеля на нагарообразование в цилиндре составляет 25,7 руб. на один испытываемый двигатель.

10. Разработанные метод, стенд и технология ускоренных испитаний дизеля на нагарообразование в цилиндре внедрены в Отраслевой лаборатории химмотологии МИНРЫБХОЗа СССР при Северо-Западном политехническом институте.

Применение твердых ингибиторов (олово-натриевого сплава) внедрено на опытной партии тракторных дизелей в совхозе «Кол-пинский» Ленинградской области. Подтвержденный эффект от применения твердых ингибиторов в смазочной системе тракторынх дизелей составил 10 руб. 19 коп. на один трактор в год.

II. Разработанный стенд рекомендуется применять в научно-исследовательских лабораториях, занимающихся исследованием и разработкой перспективных и альтернативных топлив, а также на предприятиях-изготовителях горюче-смазочных материалов для предварительной оценки их эксплуатационных свойств.