книги из ГПНТБ / Устинов А.Н. Исследование поршневых колец дизелей

II. ВЛИЯНИЕ УТЕЧЕК ГАЗА НА ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

і

Исследованию влияния утечек газов на работу двигателя посвящен целый ряд работ. В основном они проводились на карбюраторных двигателях, результаты и выводы,этих работ не распространяются тіа двигатели с воспламенением от сжа­

вероятное изменение величины теплового зазора между цилиндровой втулкой и поршнем двигателя.

Указанные допущения в равной мере свойственны и ряду других работ, посвященных вопросу исследования пропуска газов поршневыми кольцами. В качестве методики аналити­ ческого исследования в этих работах использован метод теп­ лового расчета при переменном количестве рабочего тела. Следует отметить, что использование метода теплового рас­ чета, ввиду известной его схематичности, не позволяет учесть

39

всего комплекса явлений, связанных с утечкой газов. Кроме того, точность всякого теплового расчета определяется пра­ вильностью выбора исходных параметров, а ввиду отсутствия в литературе расчетных или экспериментальных данных о влиянии утечек газа на величины исходных параметров, их значения в отдельных случаях принимались ориентировочно, не зависящими! от утечки газов. Методика моделирования раз­ личной степени герметичности цилиндра путем установки в днище поршня специальных жиклеров с калиброванными о т ­ верстиями также требует уточнения с целью приближения к условиям, имеющим место в цилиндре с различной степенью эксплуатационного износа.

Отдельными авторами [4],![10], [14], [22] основная родь уте-

•чек связывается с вопросом старения масла, влияние же уте­ чек на рабочий процесс исследовано -недостаточно, при этом высказывается мнение. [4], что величина предельно допустимо­ го зазора между поршнем и цилиндровой втулкой должна определяться условиями сдувания'масляной пленки с поверх­ ности зеркала цилиндровой втулки. Однако следует отметить, что сказанное относится прежде всего к карбюраторным двигателям небольшой мощности и габаритов. Для двигате­ лей с диаметром цилиндров более 150 мм сдувание масляной пленки может иметь место даже при небольших износах а случае плохого прилегания колец, и данный критерий не мо­ жет определять величину предельно допустимого зазора меж­ ду поршнем, и цилиндровой втулкой.

Теорётическре исследование предельно допустимых зазо­ ров между поршнем и цилиндровой втулкой на основе гидро­ динамической теории смазки освещает только одну из сторон этого вопроса. Следует, отметить, что принятая в работе [4] методика исследования масляной пленки между двумя кон­ центрическими окружностями не отображает действитель­ ного положения поршня в цилиндровой втулке. Ввиду того, что под действием нормальной силы поршень поочередно при­ живается к каждой из, сторон цилиндровой втулки в плоско­ сти качания шатуна и зазор между поршнем и цилиндровой втулкой.имеет серповидную форму, такое упрощение снижает точность рассмотренной методики.

‘Г. А. Фофановым [41] для оценки уплотняющей способ­ ности поршневых колец принимался показатель плотности, определяемый отношением Рс/Р-к, где Рс— давление сжатия, Рк — давление в воздушном ресивере. За характеристику из­ носа уплотнительного кольца принимался зазор в замке, из-

меряемый в рабочем состоянии (в калибре). Для случая совместного износа кольца и втулки (при сравнительно не­ больших нзносах) такая методика позволяет довольно точно установить зависимости между износами и изменением пара­ метров двигателя, но она не приемлема при нзносах, прибли­ жающихся к предельно допустимым.

В работе [10] с целью упрощения задачи вопрос выбора предельно допустимых зазоров в сопряжении цилиндровая втулка-поршень двигателя определяется пусковыми качества­ ми. Как браковочный критерий предлагается эксперимен­ тально выявленная зависимость между величиной неплотно­ стей в исследуемом сопряжении и временем падения давле­ ния в камере сжатия двигателя. Для проведения такой про­ верки предложен целый ряд устройств пневматических калиб­ раторов. Основное достоинство данного метода — его просто­ та. 'В исследованиях с применением данной методики не выявлено влияние износов цилиндровой втулки и поршневых колец на параметры рабочего процесса. В книге К- Энглиша [47] приводится обзор большого количества работ, посвящен­ ных исследованию утечек газов через поршневые кольца, а также выявлению влияния различных факторов конструктив­ ного и Эксплуатационного’ характера на .количество газовутечки.

Несмотря на разнообразность исследований, приводимых в данном обзоре, большинству работ свойственна общая ха­ рактерная особенность: испытания проводились на двигате­ лях, имеющих небольшие износы. Конечной целью большин­ ства работ являлось определение оптимальных сроков и ре­ жимов приработки деталей, а величины утечек являлись кри­ терием правильности выбора режима приработки.

Принимая во внимание то обстоятельство, что объектами исследований были двигатели с относительно малыми изно­ сами, становится понятным, «Почему такая значительная роль при оценке утечек отводится просвету в замке. поршневого кольца, Для двигателя, имеющего незначительный износ цилиндровых втулок и поршневых, колец, площадь, просвета в замке составляет 50% и более от суммарной величины не­ плотностей, в то время как для изношенных цилиндровых втулок и «поршневых колец площадь «просвета в замке не пре­ вышает 10% суммарной лЛощади неплотностей. Таким обра­ зом, величина зазора в замке кольца не, оказывает решающе­

4£

как изменение удельного расхода может быть вызвано целңм рядом причин, не имеющих отношения к износам цилиндровых втулок и поршневых колец.

Исследованию косвенных показателей, определяющих тех­ ническое состояние ЦПГ, посвящена работа И. Л. Лютова

[24].Все косвенные показатели подразделяются на две

-42

данной работы говорится о том, что больше всего утечки газов влияют «а изменение коэффициента избытка воздуха и температуры выпускных газов.

§ 1. МЕТОДИКА АНАЛИТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Качественное уплотнение камеры сгорания двигателя

.обеспечивается работой поршневых колец. Наряду с функци­ ями уплотнения, поршневые кольца осуществляют отвод теп­ ла от поршня. Для надежного выполнения этих функций необходимо беспросветное прилегание поршневого кольца к

.цилиндровой втулке, что не всегда удается осуществить, осо­ бенно при постановке новых колец в изношенные цилиндро­ вые втулки. Всякая утечка газов из цилиндра вследствие про­ пуска чистого воздуха во время хода сжатия, несгоревшей ■смеси или же частично или полностью сгоревших газов через кольцевое уплотнение поршня нежелательна.

Если утечка, газов превышает известный предел, то ей ■сопутствуют следующие явления:

—потеря мощности и повышение удельного расхода топлива,

—повышение температуры поршня и поршневых колец,

—закоксование канавок поршня и пригорание колец,

—повышенный износ цилиндровых втулок и колец,

—потеря упругости поршневых колец,

—поломка поршневых колец,

—задиры поршней и цилиндровых втулок,

—ускорение старения масла и увеличение расхода масла,

—ухудшение пусковых качеств двигателя.

Все перечисленные факторы характеризуют неудовлетво­ рительное состояние двигателя и говорят о необходимости проведения ремонта с целью восстановления его первона­ чальных параметров.

Однако при ремонтах цилиндро-поршневой группы не всег­ да удаемся восстановить первоначальные технико-экономиче- цкие1показатели, что обусловливается влиянием, оказыва­ емым техническим состоянием деталей данной . группы на параметры рабочего процесса. (1В основном сказанное отно­ сится к дизелям, конструкцией которых не предусматривается расточка цилиндровых втулок под иоршнгі ремонтных разме­ ров).

Для установления предельно допустимых изйосов цилинд­ ровых втулок, превышение которых приводит к значительно­ му изменению параметров рабочего процесса и нарушению

43

нормальной эксплуатации двигателя, необходимо выявление зависимостей, существующих между параметрами рабочего процесса и неплотностями в сопряжениях поршневых колец, и цилиндровых втулок, возрастающими по мере износа дета­ лей. В технической литературе выявлению упомянутых зави­ симостей уделяется мало внимания, что в значительной сте­ пени препятствует установлению оптимальных предельнодопустимых зазоров в рассматриваемом сопряжении и вели­ чин предельных износов цилиндровых втулок.

Аналитическое исследование влияния утечки тазов на па­ раметры рабочего процесса целесообразно проводить путем расчетного определения теоретических параметров рабочегопроцесса, соответствующих различным величинам пропуска газов.. В качестве метода исследования можно применитькорректирование индикаторной диаграммы двигателя с уче­ том изменения количества рабочего тела в функции хода поршня,.рассмотренное автором в работах [34], [35], [36].

Преимуществом данной методики является отсутствие произвольного выбора целого ряда исходных параметров,, без чего нельзя обойтись при исследовании методом теплово­ го расчета. Недостаточность экспериментального-материала не -позволяет с достаточной точностью выбрать значения всех, исходных параметров, точность методики ставится в зависи­ мость от правильности оценки исходных величин.

При использовании в качестве метода исследования корре­ ктировки индикаторных диаграмм вопрос оценки исходных параметров значительно упрощается. В этом случае исходны­ ми данными являются индикаторная диаграмма для номи­ нальной нагрузки, снятая для нового двигателя; значение удельного (или часового) расхода топлива при номинальной’ нагрузке нового двигателя; значение эффективной мощности, замеренной, при снятии индикаторной диаграммы.

•Все остальные данные о параметрах рабочего процесса для нового двигателя (говоря о новом двигателе, имеется в- виду не. обязательно новый двигатель в буквальном смыслеслова, а двигатель в хорошем техническом, состоянии, с ци­ линдровыми втулками и кольцами, • прошедшими достаточ­ ную совместную приработку и не имеющие износов) не явля­ ются необходимыми, а нужны только для сопоставления с конечными результатами расчета при оценке степени измене­ ния. первоначальныхпараметров рабочего процесса в зави­ симости от величин неплотностей.

Принятие в качестве исходной индикаторной диаграммы

44

для расчета диаграммы реального двигателя является допухцением, так как в любом случае имеет место некоторая утеч­ ка тазов даже при качественном уплотнении камеры сгора­ ния. Однако утечки в этом случае имеют незначительную величину и не могут оказать существенного влияния на рабо­

чий процесс.

Если же в качестве исходной принять теоретическую индикаторную диаграмму, полученную в результате тепло­ вого расчета для данного двигателя, тогда необходимо поль­ зоваться методом теплового расчета, что в значительной мере усложнится выбором исходных параметров (о чем говорилось

.выше).

Методика аналитического исследования построена на из­ вестных ■Термодинамических зависимостях. Изменение состоя­ ния газа при лолитропическом процессе выражается зависи­ мостью

Р-ѵп—С. (II)

' ©Дифференцируя это исходное уравнение [42] с учетом зна­ чения удельного объема газов в любой момент, можно1выра­ зить зависимость изменения давления от изменения объема и количества газов в виде

где п — показатель политропы сжатия или расширения; G — весовое количество газов, кг;

V — объем, ж3.

Полученная в дифференциальной форме искомая функ­ ция (12) учитывает влияние неплотности поршневых колец на процессы сжатия и расширения, однако она не поддается полному интегрировангію. Решение ее возможно методом численного интегрирования в конечных разностях. С этой | целью, разделив процессы сжатия и расширения на т-равных участков по углу.поворотакривошипа и заменив дифферен­ циалы состояния газа в бесконечно близких точках соответст­ вующими конечными изменениями состояния в конечно близ­ ких точках, а также введя в расчеты средние арифметические

.значения параметров в этом интервале,, можно представить уравнение (12) в следующем виде:

( 13)

45

в соответствии с величинами утечек газов для каждого участ­ ка по углу поворота коленчатого вала.

Величина утечки газа является функцией площади просве­ та для прохода газов, коэффициента расхода и закона изме­ нения давления в цилиндре.

dGyT= f (5пр; р,; Р) .

Принимая во внимание, что наличие утечки на каждом из участков индикаторной диаграммы приводит к изменению удельных объемов газа в соответственных точках, для коррек­ тировки индикаторных диаграмм можно использовать сле­ дующие^уравнения.

Линия сжатия

Корректировка индикаторной диаграммы начинается с точки «а», соответствующей началу сжатия. Определение па­ раметров начала сжатия производится по общепринятой методике. Для двухтактных двигателей:

где Рк — давление в ресивере продувочного воздуха,

Рг— давление в выпускном коллекторе. Для четырехтактных двигателей:

Ра= (0,04—0,18)Яо кг/см1.

В том и другом случае для уточнения целесообразно опре­ делить Ра по'диаграмме насосных ходов, снимаемой на дви­ гателе одновременно со снятием исходной индикаторной диаграммы. Удельный объем заряда в начале сжатия опреде­ ляется отношением ,

где Ѵа— объем, соответствующий точке а; Ga — вес заряда в начале сжатия.

Весовой заряд за цикл Ga может быть определен с учетом остаточных газов из формулѣ

4.6

начинается с момента отрыва линии сжатия от атмосферной линии, причем в этой точке цикловой .вес газа принимается равным Ga, так как утечки до этого участка вследствие от­ сутствия, перепада давления имеют незначительную вели­

чину.

Для каждого участка величина утечки считается по пара­ метрам Рcp, Vср, оср, соответствующим состоянию газа в средней точке каждого участка (средний по углу поворота). Величина веса газа для лктбого участка т определяется как разность ■

и является величиной переменной по ходу поршня.

Изменение веса газа приводит к изменению удельного объема. Так при отсутствии утечек удельный объем газа в точке т определяется из соотношения

но G a>G ra, следовательно ѵт> ѵ т".

В этом случае давление в конце этого участка определит­ ся по выражению

4? ■6)

' Расчетная схема при корректировке диаграммы приво­ дится на рис. 16 а, на рис. 16 б приведены корректированные индикаторные диаграммы.

При просчете первых участков, утечки газов для которых имеют незначительную величину, значение корректирован-

Рис. 16. а) Расчетная схема при корректировке индикаторной диаграммы.

48