Оптимизация параметров и условий работы систем смазки при регулировке двигателей змз, газ, ваз после их ремонта

Для эффективности работы системы смазки любого поршневого двигателя необходимо соблюдение ряда условий. Система смазки должна надежно функционировать во всем интервале рабочих нагрузок и оборотов при всех режимах работы двигателя на транспортном средстве, допускать надежный запуск двигателя при низких температурах окружающей среды, обеспечивать наличие достаточно прочной масляной пленки в парах трения, как при низких, так и при высоких температурах их поверхностей. Циркуляция масла в порах, зазорах и каналах должна обеспечивать удаление продуктов окисления углеводородов с поверхностей деталей, а система фильтрации масла – надежную и достаточно длительную очистку от механических и химических примесей. Загрязнение масла различными примесями и изменение его свойств называют его старением.

В зависимости от условий функционирования масла в двигателе и от свойств самого масла процессы его старения могут протекать с различной интенсивностью во времени. Диапазон эксплуатационных температур окружающей среды для современного автотранспортного средства может изменяться в пределах от -40С до +75С и более. При этом наиболее важным свойством при отрицательных температурах для моторного масла являются его «пусковые» свойства, т.е. возможность надежного и безаварийного запуска. Для работы моторного масла в двигателях при повышенных температурах окружающей среды важнейшим условием надежного функционирования системы смазки является прочность масляной пленки в парах трения.

Затраты на привод механизмов и устройств систем смазки ДВС составляют определенную долю так называемых «механических потерь» при получении полезной работы двигателя и, следовательно, связаны с определенными затратами мощности на привод агрегатов системы смазки. При этом часть затраченной энергии расходуется на перемещение масла в двигателе, а другая часть – на нагрев и теплорассеивание в окружающей среде.

Для оценки характера движения среды возможно использование критериев подобия при моделировании процессов перемещения моторного масла в элементах и устройствах систем смазки: Рейнольдса (Re), Фурье (Fo), Био (Bi), Фруда (Fr), Пекле (Pe) и других.

Критерий Рейнольдса оценивает меру отношения сил инерции к силам внутреннего трения

, (117)

где w₀ – условная скорость жидкости без учета формы поля скоростей в канале; d – диаметр канала или «трубка тока»; v – кинематическая вязкость, которая существенно зависит от температуры моторного масла в канале.

Критерий Фурье характеризуется выражением

, (118)

где  – коэффициент теплоотдачи от движущейся жидкости к стенкам канала; ₀ – координата времени;  – коэффициент теплопроводности жидкости в канале [ккал/смск].

Интенсивность нагрева стенок канала для перемещения среды характеризует критерий Био:

, (119)

где l – длина канала, по которому перемещается жидкость при постоянных условиях (d, , ).

Критерий Фруда характеризует среднюю меру отношения сил инерции к силам тяжести (g):

. (120)

Средняя мера отношения интенсивности переноса теплоты теплопроводностью характеризуют критерием Пекле, как это имело место для маслосборников, масляных баков, маслорадиаторов и масляных полостей

. (121)

На основании изложенного можно сделать вывод, что для улучшения условий работы систем смазки ДВС и ее агрегатов наряду с выполнением расчетных работ по изменяемым элементам конструкции необходимо широко использовать натурное моделирование.

Вследствие того, что опытно-конструкторские работы по изменению, например, блоков цилиндров при создании новых образцов двигателей требовали капитальных затрат, был предложен усовершенствованный способ изменения конструкции систем смазки, эффективно опробованный и давший положительные результаты для двигателей ЗМЗ, ГАЗ и ВАЗ [15].

Вместо многократного изменения конструкций базовой детали, например блока цилиндров, создавалась подвижная модель маслосистемы модернизированного двигателя на передвижной раме в виде испытательного стенда, составленного из стандартных элементов: трубопроводов, насосов, фильтров, выпускаемых заводами в качестве стандартных агрегатов. На этих стендах имитировались условия работы систем смазки двигателей и после соответствующих испытаний немодифицированные агрегаты систем смазок испытываемых двигателей выключались из работы. Взамен этих элементов подключались к маслосистемам другие, усовершенствованной конструкции, опробованные и испытанные при работе на передвижном испытуемом стенде.

В случае положительных результатов испытаний конструктивно улучшенных агрегатов в системах смазки ДВС на заводе-заказчике изготавливались усовершенствованные базовые детали, которыми заменялись детали традиционной конструкции. При этом осуществлялся постоянный контроль температур и давлений в системе смазки испытываемого двигателя, а процессы старения масла при испытаниях двигателей на стенде происходили «естественным путем». Для оценки эффективности очистки масла такие стенды использовались как самостоятельные испытательные установки, например, для определения степени очистки фильтрами различных конструкций отработанных моторных масел. При этом, естественно, фиксировалась динамика очистки масел по времени на основе полного количественного анализа отработанных в процессе испытаний масляных проб.

На основании рекомендаций по исследованиям, выполненным по заказам предприятий, в конструкции выпускаемых заводом двигателей был внесен ряд изменений: оптимизация давлений в масляных магистралях, применение одноконтурных систем полнопоточной фильтрации масла с уменьшенной аэрацией, оптимизация объемов маслосборников для замедления старения масел, улучшение охлаждения главной масляной магистрали, улучшение температурного состояния подшипников коленчатых валов и т.д. [14, 15].

Оптимизация температурных режимов работы элементов и агрегатов систем смазки двигателей позволила уменьшить смолообразование в поддонах картеров и клапанных коробках на 25…30% и снизить лакообразование в зонах поршневых колец в 1,5…2 раза.

С целью улучшения работы систем смазки для двигателей стандартных конструкций, например, двигателей МАН, установленных на автобусах «Икарус», были разработаны изменения в системах охлаждения и прогрева, что привело к смещению рабочих температур в системах охлаждения и смазки двигателей в сторону оптимальных температурных интервалов, снизивших осадкообразование и нагарообразование до 30% от существовавших ранее значений.

Сопротивляемости износам деталей двигателей ЗМЗ Р-4 2,45 дм³ и ЗМЗ V-8 4,25 дм³ в составе автомобильных силовых агрегатов и установок для питания автономных электросварочных агрегатов при работе в интервалах оптимальных температур

Износ детали h_п в паре трения для периода приработки, т.е. за время t_n характеризуется при любом t выражениями:

, (122)

, (123)

где a, b – коэффициенты эмпирической функции h_п – износа детали за период приработки.

Для следующего периода – равномерного изнашивания t_р до начала периода критического изнашивания t_к характер и величина износа детали h_р в паре трения определится по формулам:

, (124)

, (125)

где h_п – износ при t_n; b₁ – коэффициент эмпирической функции; t_y – момент времени, когда начинается ускоренный износ детали в паре трения. Смещение рабочих температур деталей в оптимальные рабочие интервалы при помощи соответствующих регулировок увеличивало продолжительность второго периода изнашивания на 10…12%, что было подтверждено исследованиями двигателей ГАЗ, ЗМЗ и других [13].

Третьему периоду изнашивания t_y, т.е. ускоренному изнашиванию детали h_y в паре трения, соответствуют выражения:

, (126)

, (127)

где h_y – величина износа детали в паре трения при t_y, a₁, k – коэффициенты эмпирической функции.

Вследствие сложных процессов старения в технических системах типа автомобильных поршневых двигателей их состояние характеризуется увеличением износов h в парах трения, которые, в свою очередь, определяются функцией типа F_п(h)=F_п(x):

. (128)

Для снижения износов деталей h=x в эксплуатации для двигателей ЗМЗ Р‑4 и ЗМЗ V-8 с блоками цилиндров из алюминиевых сплавов и вставными чугунными гильзами могут быть рекомендованы следующие оптимальные температурные режимы, соответствующие минимальным значениям износов при работе на маслах группы Г – для картера, клапанной коробки, маслосборника: от 65 до 125С для юбки поршня, стенки зеркала цилиндра от 75 до 240С; для зоны поршневых колен от 80 до 270С; для днища поршня и огневых поверхностей камер сгорания от 140 до 330С; для тарелок клапанов от 250 до 500С; для стержней и втулок клапанов от 80 до 300С. Перечисленные выше температурные режимы деталей двигателей соответствовали температурам охлаждающей жидкости – тосола А-40: от 87 до 95С при эксплуатации в летних и зимних климатических условиях для центральных районов страны. При этом износы деталей кривошипно-шатунных механизмов уменьшились на 25…30% по сравнению с режимами перегрева или переохлаждения для двигателей ЗМЗ.