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

рение давлений в междукольцевых объемах (для каждого кольца) и давления под поршнем (в воздухомерном ресивере).

Для определения влияния на утечку газов .подпора за по­ следним кольцом, возникающего при работе двухтактного дви­ гателя .из-.за давления в ресивере, при проведении эксперимен­ та на стенде поршень поднимался в положение, близкое к ВМТ, а в ресивере создавалось давление ..воздуходувкой типа РУТ, имеющей посторонний .механический привод.

Р и с. 22. Принципиальная схема стенда для определения коэффициента расхода.

Над поршнем поддерживалось постоянное давление при помощи перепускного клапана, замеры производились только после стабилизации всех измеренных величин.

Коэффициент расхода определялся как отношение замерен­ ного и теоретического расходов

Величина теоретического расхода утечки для подкритической области истечения подсчитывалась по выражению

5ѵпр — величина площади просвета для уплотнения; К — показатель адиабаты для воздуха; Ро— давление среды, в которую происходит истечение;

Рн, Ѵк — параметры воздуха над поршнем.

Для .надкритической области истечения величина расход­ ной функции принималась постоянной, ранной 2,145. Экспери­ ментальное определение р, проводилось в два этапа.

I этап. На поршень устанавливалось одно кольцо. Пло­ щадь просвета определялась по изложенной выше методике. Расчетное определение утечки производилось в соответствии с уравнением (33) для надкритической н подкрнт.ической об­ ластей истечения. Как показали эксперименты, значительный рост коэффициента расхода наблюдается до давлений в ци­ линдре порядка 5— 6 атм. Дальнейшее увеличение давления не приводит к .заметному росту р. Стабилизация коэффициен­ та расхода при значениях перепада давлений меньших второ­ го критического в этом случае может быть объяснена гем, что характер течения газа в лабиринте, образованном поршневы­ ми кольцами, существенно отличается от характера течения газа через щель с острыми кромками [39]. В рассматриваемом случае течение является неустановнвшпмся, неупорядоченным. Принимая во внимание, что основная утечка газов имеет .ме­ сто при давлениях, значительно превышающих указанное, в расчетах вполне допустимо использование постоянного значе­ ния коэффициента расхода. Для уплотнения, состоящего .из одного кольца, величина экспериментально определенного коэффициента расхода составила ц=і0,79—0,84.

II этап. На поршень устанавливалось 5 колец. Измере­ ние давлений за каждым кольцом позволило установить фак­ тический перепад давлений на каждом кольце. Расход воздуха через все уплотнения в этом случае определяется расходом через кольцо, на которое приходится максимальный .перепад давления (он может быть близок к критическому перепаду или равен ему). В этом случае теоретический расход утечки опре­ делялся по фактическому перепаду давлений на этом кольце и площади просвета, замеренной для этого кольца. Величина коэффициента расхода .в этом случае составила р= 0,3—0,5 (в зависимости от давления над поршнем и геометрических соотношений просвета).

Анализ характера распределения перепадов давления на каждом кольце, приведенный в табл. 1 0 , свидетельствует о том, что их величины .изменяются в довольно узких пределах. До­ статочно близки и величины площадей просвета у каждого кольца при постановке новых поршневых колец в изношенные цилиндровые -втулки. (В этом случае отсутствует закономер­ ность в уменьшении площадей просветов от первого к послед­ нему кольцу). Поэтому при расчете утечек в качестве зели-

68

чины [проходного сечения для лабиринтного уплотнения из 3-х и более колец, можно рекам видовать принимать среднюю арифметическую величину из площадей просвета для всех колец.

При совместном износе колец и втулок .величины проход­ ных сечении уменьшаются от первого к последнему кольцу. В- этом случае следует в качестве Ssnp принимать минимальную площадь просвета для одного из последних колец. Характери­ стика уплотнения для этих двух случаев приведена .в табл. 1 2 .

Давление над поршнем изменялась ступенчато (в пределах от Одо 1 0 кг/см2) .

При работе двигателя качество уплотнения, безусловно, из­ меняется в сторону улучшения. Этому способствует наличие масляной пленки, быстро меняющееся давление и малое вре­ мя, .в течение которого осуществляется основная утечка газов. Однако при работе двигателя возможны и нарушения уплот­ нения, связанные е вибрацией колец, отрывам кольца от зер­ кала цилиндровой втулки при перекладке поршня и т. п. Кро­ ме того, на работающем двигателе изменение качества уплот­ нения отдельного кольца (из общего числа колец, расположен­ ных на поршне) не может оказать .существенного влияния на

69

количество прорвавшихся тазов. Это объясняется -следующим обстоятельством.

При проведении эксперимента ла двухтактном двигателе было отмечено, что отри движении іпоршня и прохождении коль­ цевым .поясом зоны выхлопных и продувочных окон, м-ежк-оль- ц-евые объемы перед любым из колец с повышенной уплотняю­ щей способностью разгружаются непосредственно в ресивер продувочного воздуха и выхлопной коллектор. Эта особен­ ность является характерной для двухтактных двигателей с бесклапанным« схемами продувки.

Принимая во внимание, что для цилиндровой втулки, име­ ющей значительный износ, сумма всех междуколыцевых объ­ емов может составить величину порядка 5—7% объема каме­ ры сжатия, что может привести к пропорциональному увели­ чению утечки непосредственно в ресивер и .выпускной коллек­ тор через выпускные и продувочные -окна (-минуя последнее кольцо и картер), -оценка теоретического расхода газов утечки по средней суммарной -величине неплотностей для всех колец является наиболее приемлемой.

При проведении эксперимента на четырехтактном двигате­ ле было отмечено, что -меж-кольцевые объемы не успевают раз­ грузиться полностью. Для цилиндровых втулок с расположе­ нием продувочных и -выпускных окон -по всей окружности воз­ можна полная разгрузка межкольцевых объемов.

Следует отметить, что определение коэффициента расхода для -неплотностей -поршневых колец на -стенде при неработа­ ющем двигателе является допущением, однако в этом случае становится возможным более глубокое изучение -влияния на ■коэффициент расхода ц таких факто-ро-в, как форма .просветов, геометрических -соотношений площадей просветов и т. и., что невозможно осуществить на работающем д-вигателе, где пло­ щади просветов и их форма ие -остаются неизменной -величи­ ной, принятие же их неизменными приводит к равноценному допущению.

При экспериментальном -определении коэффициента рас­ хода га-зо-в утечки последние были заменены воздухом и при проведении расчета, и при -про-ведении эксперимента с замера­ ми утечек. Это также является допущением, так как коэффи­ циент -расхода за-висит от вязкости газов. В работе [34] авто­ ром рассматривался вопрос расчетного определения коэффи­ циента вязкости картерных газов -и оценивалась -погрешность, ■возникающая от замены газов воздухом при расчетах утечек. Так как при экспериментальном определении значений коэф-

70

фицпента расхода вязкость воздуха уже учитывается, то вве­ дением поправочных коэффициентов, приведенных в рабо­ ту [34], можно получить значение коэффициента расхода с учетом вязкости прорывающнхся газов.

Как было выяснено при проведении экспериментов, значи­ тельное влияние на величину коэффициента расхода оказыва­ ют соотношения геометрических размеров площадей неплот­ ностей. Наиболее существенное влияние оказывает .изменение отношения l/h (обозначения приведены на рис. 23).

рических соотношений сечения для прорыва газов І/Іі (зна­ чения l/h приведены в табл. II).

Было отобрано несколько групп колец с различными отно­ шениями l/h при равных суммарных площадях просветов, для

всех групп колеи, производился замер фактических утечек на стенде.

Изменение величины коэффициента расхода в зависимости от l/h наглядно характеризуется расположением кривых на рис. 23. Приводимые трафики значений ц. получены для уплот­ нения, состоящего из 5 колец.

Учитывая, что при постановке новых колец в изношенную втулку уплотняющие способности каждого из колец иркбли-

71

зительно одинаковы, а при расчетах утечек (равіно как л при подсчетах теоретического расхода утечек для определения р) ■принимается средняя арифметическая .величина из суммарных площадей просветов для каждого кольца и общий перепад давлений на все уплотнение, а также то обстоятельство, что число компрессионных колец в двигателях с диаметром ци­ линдров более 150—200 мм колеблется в узких пределах, по­ лученными зависимостями .можно пользоваться и для двига­ телей других типов и размерностей.

'Принимая во внимание, что основная утечка газов у рабо­ тающего двигателя имеет место при надкритическом перепадедавлений, значение коэффициента расхода можно принимать постоянным, определяя его по предлагаемым графикам с уче­ том отношения ///;, значения которого .приведены в табл. 13.

Таблица 13

их совладении. Действительно, как указывает С. Фурухама, если для одного кольца (.1 = 0 ,8 6 , то для лабиринта, образован­

максимальному зазору между кольцом и зеркалом цилиндро­ вой втулки h—0 , 2 мм и l/h = 300—600 .в наших экспериментах. В этом случае величина износа цилиндровой втулки близка к предельно допустимому. Точно так же эти данные соответстівуютп значениям р в работах [39], [45].

§ 4. М Е Т О Д И К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н О Г О И С С Л Е Д О В А Н И Я В Л И Я Н И Я У Т Е Ч Е К Г А З А Н А И З М Е Н Е Н И Е П А Р А М Е Т Р О В

Р А Б О Ч Е Г О П Р О Ц Е С С А

■Экспериментальное исследование влияния утечек на .изме­ нение основных параметров рабочего процесса, являясь спосо­ бом прямого выявления зависимостей между утечками и мощ-

72

постными и эконо-мшіес-киіми (показателями работы двигателя* представляет значительный интерес.

ІПоічтіи полное отсутствие в литературе сведении по дап-н ному вопросу делает его особенно актуальным в связи со все­ возрастающими требованиями, предъявляемыми к 'Моторесур­ су выпускаемых заводами дизелей.

Принимая во внимание, что значительное изменение пара­ метров рабочего процесса двигателя может определяться при­ чинами, не -имеющими прямого отопления к состоянию дета­ лен цилиндрово-поршневой группы, в -качестве объекта исследоівания должен выбираться двигатель, имеющий общее тех­ ническое состояние и регулировку, соответствующую техниче­ ским условиям на поставку нового двигателя. Снятые при этом -нагрузочные (либо скоростные) характеристики и инди­ каторная диаграмма ,принимаются за -исходные. Моделировагше«различных эксплуатационных состояний деталей ЦПГ целесообразно проводить путем установки на каждом из этапов исследования цилиндровых втулок, имеющих различ­ ную степень .износа, и н-авых поршневых колец. Применение данной методики имитирует реальное эксплуатационное -со­ стояние, когда во время ремонта двигателя осуществляется частичная или полная замена поршневых колец, а замена ци­ линдровых -втул-о-к не производится.

При исследовании цилиндровых втулок одного варианта их следует -подбирать приблизительно одинаковыми по степени -и характеру износа; испытания желательно проводить на -от­ секе двигателя, -однако .возможно их проведение и «а развер­ нутом (-с-ерийном) двигателе.

При испытании на много-цилиндровом двигателе возможнакак полная замена цилиндровых втулок, так и работа на одном или нескольких -цилиндрах.

Определение действительных площадей просветов в уплот­ нении удобнее всего осуществлять .прямым измерением (в -со­ ответствии с приведенной выше методикой) при постановкеколец в цилиндровые втулки. Измерение площадей -произво­ дится" для двух взаимно перпендикулярных положений замка поршневого -кольца при его размещении в зоне максимальногоизноса -цилиндровой втулки (обычно зона максимальных износов -совладает -с зоной максимальных давлений цикла).

На о-сноіваінни замеро-в -оценивается -величина относитель­

73-

При последоваініі'и влияния утечек ,на показатели рабочего процесса целесообразно подбирать такие цилиндровые втулки, у которых величина износа близка к пределам, устанавливае­ мым заводскими инструкциями.

Эксперименты с различными по величине износа цилиндро­ выми втулками и поршневыми кольцами позволяют получить зависимость, существующую между характером пзиосов (и соответствующими им /площадям /просветов) и основными 'па­ раметрами рабочего процесса.

Для повышения точности результатов испытании снятие нагрузочных характеристик на каждом из этапов целесообраз­ но производить дважды: от исходного к последнему варианту (по износам цилиндровых втулок), а затем в обратном поряд­ ке. Измерение площадей просветов в исследуемом сопряжении также следует производить дважды: перед испытанием каж­ дого варианта и после пего. »

/Снятие нагрузочных характеристик при испытаниях каж­ дого из вариантов следует производить либо до значении по­ стоянной эффективной мощности, равной .1 0 0 -проценшой на­ грузке нового двигателя (Na исходного /варианта), либо /при

Идентичность характеристик, снятых для исходного вари­ анта в начале и конце испытаний, может служить подтвержде­ нием неизменности регулировки двигателя на всем протяже­ нии испытаний, а также дает возможность считать,- что состоя­ ние остальных узлов двигателя, не рассматриваемых при проведении данных испытаний, оставалось неизменным.

Применение дайной методики позволяет исключить влияние на изменение параметров рабочего процесса таких факторов, как состояние « износ топливной аппаратуры, состояние и вз­ носы деталей механизма газораспределения и т. п., совместное влияние которых .могло 'привести к еще большему изменению /параметров двигателя. Однако следует иметь в /виду, что как топливная аппаратура, так и зазоры в подшипниках в эксплуа­ тации периодически проверяются и регулируются, в то время как цилиндровые втулки остаются прежними, а регулировка зазора между поршнем и цилиндровой втулкой вообще невоз­ можна (за исключением двигателей, у которых (применяется расточка цилиндровых втулок под поршни ремонтного раз­ мера) .

При -снятии нагрузочных характеристик на каждом этапе

74

■исследования .регистрируются следующие параметры: среднее дадикатоірное давление Р\, эффективная мощность Ne, макси­ мальное давление цикла Р,. и давление сжатия Рс, удельный расход топлива, температура выпускных тазов, расход возду­ ха й газов утечки (при постоянном давлении в картере), тем­ пература воды и масла, давление воды, масла и продувки (наддува), противодавление на выпуске, давление в картере, коэффициент избытка воздуха при .сгорании (газовым анали­ зом), удельный расход масла, число оборотов двигателя.

Для исключения утечки картерных газов помимо измери­ тельного устройства должны быть предприняты меры, обес­ печивающие герметизацию картера. Целесообразно на всех этапах испытания измерение расхода газов утечки произво­ дить при постоянном давлении в .картере, незначительно пре­ вышающем атмосферное (204-40 мм вод. ст.).

§ 5. А Н А Л И З З А В И С И М О С Т И И З М Е Н Е Н И Й П А Р А М Е Т Р О В Р А Б О Ч Е Г О П Р О Ц Е С С А О Т У Т Е Ч К И Г А З О В

В настоящее время имеется ограниченное количество ра­ бот, направленных на выявление зависимостей, существующих между наносами деталей ЦПГ (или пропорциональными нзносами утечек) и изменением параметров рабочего процесса дви­ гателей внутреннего сгорания.

Исследование этого вопроса проводилось А. А. Чапчаевым [42] на карбюраторных двигателях, А. Н. Ковляшенко [20], автором [35], [36] и Г. А. Фофановым [41] на дизе­ лях. Однако зависимость от утечек таких параметров рабочего процесса, как Л, тц, g\, а, гщ, /і|, п-і и т. п. выявлена еще непол­ но. В свою очередь недостаточность исследований не позволяет использовать тепловой расчет двигателя в качестве аналити­ ческой .методики для расчетной оценки изменения индикатор­ ной (или эффективной) мощности двигателя с утечками.

Для установления указанных зависимостей проведем а.на-

.лиз результатов некоторых экспериментальных исследований

[35], [36], [41], [42].

П р оц есс наполнения

Нарболее полно вопрос о влиянии утечек на процесс ,на-

.полнения для двухтактных дизелей рассмотрен в работах ав­ тора [36]. На рис. 24 представлены зависимости .между даз-

75

ление.м продувочного воздуха Рs, давлением в выпускном кол­ лекторе Яг, расходом воздуха Gn для различных относитель­ ных площадей просветов при работе дизеля по нагрузочной характеристике, а «а рис. 25 — зависимость этих же показа­ телен от относительной площади просвета при постоянной эф­ фективной мощности. Анализ приведенных зависимостей сви­ детельствует о значительном ■влиянии утечек на изменение со­ противления продувочно-выпускного тракта двухтактного-

Рис. 24. Изменение параметров процесса газообмена дизеля D 19/30- в зависимости от нагрузки при различных относительных площадях

щадь просвета Ss=26 мм2; <7=0,092%; 5 = 9,30%.

дизеля. При возрастании утечек снижается давление в цилинд­ ре, соответствующее началу выпуска. Снижение давления в- начале выпуска имеет незначительную величину и на харак­ тер индикаторной диаграммы практически не влияет, однако приводит к значительному снижению давления в выпускном коллекторе. Снижение давления на выпуске уменьшает сопро­ тивление выпускного тракта и способствует снижению давле­ ния в ресивере продувочното-воздуха. Последнее ойстоятель-

76