2548

воздуха и двух заслонок: перепускной и впускной, установленных во впускном коллекторе, для управления газовой нагрузкой при обкатке.

Рис. 3.1. Система повышения давления конца сжатия

Работа данной системы происходит следующим образом. Перед проведением дополнительных ступеней холодной обкатки закрывают впускную и открывают перепускную заслонку, перекрыв доступ воздуха от воздухоочистителя в цилиндры дизеля. Включают источник сжатого воздуха, устанавливают необходимое давление в ресивере, контролируемое по манометру, и осуществляют дополнительную ступень холодной обкатки. При этом воздух под давлением от источника сжатого воздуха и воздух, нагретый от сжатия в цилиндрах дизеля, поступает в ресивер, создавая в нем избыточное давление, а из канала рециркуляции сжатый воздух подается во впускной коллектор дизеля, увеличивая, тем самым, давление на впуске и, как следствие, газовые нагрузки на сопряжения. Последующие дополнительные ступени холодной обкатки проводят аналогично, повышая значение давления воздуха в ресивере.

81

Для обоснования способа холодной обкатки с повышенным давлеC нием конца сжатия рассмотрим нагрузки, действующие на кривоC шипноCшатунный механизм.

При холодной обкатке на поршень действуют силы давления газов и силы инерции от масс, совершающих возвратноCпоступательное движение, которые, складываясь с учетом направления их действия, на такте сжатия в в.м.т. имеют максимальное значение и дают суммарную силу Р [55]:

где Рг и Рj – газовая и инерционная силы.

Максимальная инерционная сила в в.м.т. равна сумме инерционных сил поршневой группы и нижней головки шатуна

где mпк, mш – массы поршневого комплекта и шатуна; – угловая скорость; R – радиус кривошипа; = R/lш (lш – длина шатуна).

Так как 30n , силу Рj можно выразить как

где ра – давление начала сжатия; – степень сжатия; n1 – показатель политропы сжатия.

Давление начала сжатия определяется по формуле

где V – коэффициент наполнения; р0 – атмосферное давление (давлеC ние на впуске); Т0 – температура окружающего воздуха (температура воздуха на впуске); рв – давление в конце расширения; T0 = Т0 + t – повышение температуры воздуха за такт впуска.

82

Давление в конце расширения определяется по формуле

где рг – давление газов в конце такта сжатия (давление сжатия), т.е.

рг = рс;

здесь Vz – объем газов в конце сгорания; Vc – объем газов в конце сжатия. При отсутствии рабочего процесса Vz = Vc и = 1. Тогда = и

При осуществлении способа холодной обкатки с повышенными нагрузочноCскоростными режимами для задания величины газовой нагрузки следует установить взаимосвязь между давлением конца сжаC тия рс и давлением на впуске p0 . Воспользовавшись выражением (2.6),

Полученное выражение позволяет определить величину давления воздуха на впуске исходя из требуемого нагрузочного режима (рс) на дополнительных ступенях холодной обкатки.

На величину давления воздуха на впуске оказывает влияние стеC пень рециркуляции воздуха (угол поворота перепускной заслонки ), вследствие чего величина p0 может быть определена как

где рр – давление в ресивере; kп – коэффициент, учитывающий степень перепуска воздуха, зависящий от величины угла поворота пеC репускной заслонки и показывающий, во сколько раз давление впуска меньше давления в ресивере.

Исходя из последнего выражения получим

83

Анализ выражения (3.13) показывает, что с достаточной точностью создавать и поддерживать нагрузочный режим на двигатель в процессе холодной обкатки с повышенным давлением сжатия можно по давлению воздуха в ресивере, контролируя его величину по манометру.

Очевидно, что

где a и b – постоянные безразмерные коэффициенты, определяемые экспериментально; – угол поворота перепускной заслонки, град.

Подставив выражения (3.14) и (3.6) в (3.5), получим расчетное значение давления конца сжатия рср:

Известно, что на величину давления сжатия оказывает влияние частота вращения коленчатого вала двигателя [16]. При ее увеличении, с одной стороны, растет число циклов и выделяемой теплоты в единицу времени, а с другой стороны – сокращается время теплообмена в такте сжатия, уменьшаются утечки заряда через зазоры в сопряжении порC шеньCгильза цилиндра. Поэтому найденное по формуле (3.16) расчетC ное значение давления сжатия будет отличным от фактического изCза влияния частоты вращения коленчатого вала. Согласно данным работы [18], указанное различие раскрывается степенной зависимостью вида

где nр – частота вращения, при которой давление сжатия равно расчетC ному; n – текущее значение частоты вращения; q – показатель степени.

Тогда с учетом формулы (3.16) выражение (3.15) запишется слеC дующим образом:

Полученное выражение позволяет определять зависимость давC ления конца сжатия от частоты вращения n, давления в ресивере pp и угла поворота перепускной заслонки .

84

Тогда выражение (3.1) запишется в виде

Таким образом, получена теоретическая зависимость, позволяющая определить суммарную силу, действующую на поршень, в зависимости от режима холодной обкатки, а также на ее основе обосновать нагрузочноCскоростной режим на дополнительных ступенях холодной обкатки.

3.3. Нагрузочно-скоростной режим на дополнительных ступенях холодной обкатки

Интенсивность процесса приработки сопряжений ДВС зависит от оптимальности нагрузочноCскоростного режима для каждого момента времени, определяющего условия контактирования поверхностей сопряжений и толщину масляной пленки. По мере приработки на данном режиме ее интенсивность снижается, и для ее повышения переC ходят на следующий повышенный нагрузочноCскоростной режим. ДлиC тельность ступеней обкатки определяют, как правило, эксперименC тальным путем, на основе контроля показателей, характеризующих интенсивность приработочных процессов, что требует проведения трудоемких исследований для каждого типа ДВС. При разработке новых способов обкатки, в случае обеспечения нагрузочноCскоростных режимов ступеней, близких к рекомендованным типовыми технолоC гиями, длительности ступеней можно определить исходя из длительC ности типовых режимов.

Определить нагрузочноCскоростной режим на дополнительных стуC пенях холодной обкатки можно экспериментальноCтеоретическим пуC тем из условия равенства суммарных сил, действующих на детали кривошипноCшатунного механизма на дополнительных ступенях хоC лодной обкатки Рхо и заменяемых ими ступенях горячей обкатки Рго. В этом случае

Определение газовых сил осуществляется расчетным путем или по результатам индицирования АТД на обкаточных режимах. Тогда

Для определения инерционных сил Рjхо следует обосновать скоC ростной режим при холодной обкатке на дополнительных ступенях.

85

Известно, что трехфазные асинхронные машины с фазным ротором, используемые для обкатки автотракторных дизелей в составе обкаточноCтормозных стендов, имеют ограниченную частоту вращения (не более 1400–1450 мин–1), поэтому эту частоту следует принять в качестве максимальной и действующей на последней ступени холодной обкатки. В качестве начальной частоты вращения следует принять частоту вращения, равную действующей частоте на последней ступени холодной обкатки по ТУ ГОСНИТИ. В силу этого при проведении холодной обкатки в составе обкаточноCтормозных стендов макC симальная частота вращения на последних ступенях холодной обкатки не достигнет номинальной частоты вращения двигателя, в связи с чем продолжительность холодной обкатки значительно увеличивается.

При использовании для холодной обкатки приводных станций [91] (см. рис. 1.14), состоящих из асинхронных электродвигателей с коC роткозамкнутым ротором, соединенных через муфту сцепления и коробC ку перемены передач с коленчатым валом обкатываемого дизеля, частота вращения путем переключения передач в коробке передач может ступенC чато изменяться от минимальной (600–700 мин–1) до номинальной. Существенно расширить диапазон частот вращения приводных станций можно применением двухскоростных асинхронных электроC двигателей.

С учетом выражения (3.21) получаем

Заменим газовые силы через давления с учетом выражений (3.18), (3.23) и, задавшись частотой вращения и углом поворота перепускной заслонки, определим величину давления в ресивере на iCй ступени обкатки:

то есть рр= f(pz, nго, nхо, ).

Таким образом, задавать и контролировать нагрузочный режим можно по величине давления в ресивере, рассчитанной по формуле (3.25).

НагрузочноCскоростные режимы дополнительных ступеней холодC ной обкатки дизеля ДC240 [48] на обкаточноCтормозном стенде типа

86

КИC5543 после капитального ремонта, определенные с помощью приведенной выше методики при давлении конца сгорания на тормозных ступенях горячей обкатки под нагрузкой, равном 5,0; 5,6 и 6,6 МПа, представлены в табл. 3.1.

Т а б л и ц а 3 . 1 Расчетные нагрузочноCскоростные режимы дополнительных ступеней

холодной обкатки дизеля ДC240 на обкаточноCтормозном стенде

Таким образом, установлена аналитическая зависимость, позвоC ляющая определять давление воздуха на впуске (в ресивере), требуеC мое для обеспечения повышенных газовых нагрузок на дополC нительных ступенях холодной обкатки.

НагрузочноCскоростные режимы ступеней холодной обкатки диC зеля ДC240 на приводной станции после капитального ремонта, опC ределенные по той же методике, представлены в табл. 3.2.

Т а б л и ц а 3 . 2 Расчетные нагрузочноCскоростные режимыступеней холодной

обкатки дизеля ДC240 на приводной станции

3.4. Продолжительность дополнительных ступеней холодной обкатки

При одинаковых значениях нагрузок, действующих на детали кривошипноCшатунного механизма, время приработки сопряжений на дополнительных ступенях холодной обкатки может быть определено

87

из условия равенства работ сил трения на соответствующих ступенях холодной обкатки Атр.хо и заменяемых ими ступенях горячей обкатки под нагрузкой Атр.го:

где Nмп – мощность механических потерь; t – время.

Мощность механических потерь в дизеле складывается из потерь на трение во всех механизмах дизеля, потерь на привод вспомогательных агрегатов, потерь на насосные ходы и может быть определена по

где рмп – среднее давление механических потерь; Vh – рабочий объем циC линдра; n – частота вращения; i – число цилиндров; д – тактность двигаC теля.

Потери мощности на трение составляют основную часть механиC ческих потерь ДВС (до 80 % всех потерь). При этом на трение в циC линдроCпоршневой группе приходится 45–55 % и на трение в подC шипниках – до 20 % всех внутренних потерь. Потери на трение зависят от газовых сил и сил инерции, нагружающих трущиеся пары, физикоC механических параметров поверхностей, условий смазки и других факторов [98].

Так как наибольшую долю среднего давления механических потерь ДВС составляют потери на трение, то часто принимают линейной зависимость среднего давления механических потерь от средней скорости поршня Wп.ср [55]:

где а1 и b1 – экспериментальные коэффициенты (а1 = 0,105; b1 = 0,012 [72]).

где S – ход поршня; n – частота вращения.

С увеличением нагрузки на детали и сопряжения дизеля при хоC лодной обкатке с повышенным давлением сжатия насосные потери

88

уменьшаются вследствие уменьшения разности между давлениями возC духа на впуске и выпуске, которые в этом случае приблизительно равны давлению в ресивере рр, однако работа трения возрастает, повышая эффективность приработочных процессов. В связи с этим для приближенного определения среднего давления механических потерь при рециркуляции воздуха с дополнительной подачей сжатого воздуха можно воспользоваться формулой для определения среднего давления механических потерь дизеля с наддувом:

где Wпс.рi – средняя скорость поршня на iCй ступени холодной обкатки.

Тогда с учетом выражений (3.26), (3.29), (3.30) и (3.32) получим формулу для определения продолжительности iCй ступени холодной обкатки с повышенным давлением сжатия:

где ti и ni – время и частота вращения iCй ступени горячей обкатки под нагрузкой; ti , ni , ppi – время, частота вращения и давление в ресивере iCй ступени холодной обкатки.

Результаты расчета продолжительности дополнительных ступеней холодной обкатки при проведении обкатки на обкаточноCтормозном стенде и на приводной станции представлены в табл. 3.3. и 3.4.

Т а б л и ц а 3 . 3 Расчет продолжительности дополнительных ступеней холодной обкатки при проведении обкатки на обкаточноCтормозном стенде

Т а б л и ц а 3 . 4 Расчет продолжительности дополнительных ступеней холодной

обкатки при проведении обкатки на приводной станции

89

Результаты расчета продолжительности дополнительных ступеней показывают, что при проведении холодной обкатки с повышенным давлением конца сжатия на обкаточноCтормозном стенде время этапа холодной обкатки значительно больше (на 21 мин) времени этапа холодной обкатки на приводной станции, что объясняется пониженC ными значениями частот вращения и давлений в ресивере.

3.5. Повышение эффективности обкатки с динамическим нагружением и дросселированием газов на выпуске

3.5.1.Рабочий цикл дизеля при динамическом нагружении

сдросселированием газов на выпуске

Рассмотрим процесс дросселирования газов на выпуске на примере одноцилиндрового дизельного двигателя в режиме прокручивания коленчатого вала.

Схема двигателя с установленной дроссельной заслонкой в выC пускном коллекторе приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Расчетная схема двигателя с установленной заслонкой в выпусном коллекторе

90