РЕЗУЛЬТАТЫ МОТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Рубрики: ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Авторы:
1.
Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П. А. Столыпина
(технический сервис, доцент)
сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
2.
Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П. А. Столыпина
(технический сервис, доцент)
сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
3.
Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П. А. Столыпина
(Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования, доцент)
сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
4.
Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П. А. Столыпина
(кафедра «Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования», доцент)
п. Октябрьский, Ульяновская область, Россия
п. Октябрьский, Ульяновская область, Россия
5.
Казанский государственный аграрный университет
(Техносферная безопасность, заведующий)
сотрудник
сотрудник
Тип:
Статья
Страницы:
с 64
по 68
Статус:
Опубликован
Получено:
08.04.2020
Одобрено:
12.04.2020
Опубликовано:
12.04.2020
Классификаторы:
ВАК 05.20.03 Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.06.04 Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5606 Техническое оснащение сельского хозяйства
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.06.04 Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5606 Техническое оснащение сельского хозяйства
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
двигатель, теплоизолирующее покрытие, мощность, расход топлива, микродуговое оксидирование
Аннотация (русский):
Современные тенденции в двигателестроении направлены на улучшение мощностных и топливо-экономических показателей двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Это, в свою очередь, сопровождается увеличением механической и тепловой нагрузки на детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Одной из наиболее нагруженных деталей ЦПГ является поршень. Перегрев поршня приводит к преждевременному износу трущихся поверхностей, залеганию поршневых колец и их поломкам, заклиниванию поршней, прогарам днища поршня и т.п. Современная технология может обеспечить защиту деталей двигателя, подверженных термическим нагрузкам, особенно поршней, путем использования структурного покрытия или специальных изолирующих материалов. Основная идея такого покрытия состоит в отражении тепловой энергии обратно в камеру сгорания, что должно предупреждать перегрев поршня. Теплозащитные покрытия наносят плазменным и детонационным методами, однако такие покрытия при работе разрушаются и поэтому они не нашли широкого применения для снижения температурного уровня поршня. Для улучшения теплоизоляционных свойств поршня предлагается на рабочих поверхностях головки поршня сформировать теплоизолирующее покрытие методом микродугового оксидирования (МДО). Отличительной особенностью МДО является участие в процессе формирования покрытия поверхностных микроразрядов, оказывающих весьма существенное и специфическое воздействие на формирующееся покрытие, в результате которого состав и структура получаемых оксидированных слоев существенно отличаются, а свойства значительно повышаются по сравнению с обычными анодными пленками. Проведенные сравнительные моторные испытания, результаты которых показали, что двигатель, оснащенный поршнями с теплоизолирующим покрытием на рабочих поверхностях головки, увеличивает мощность на 5,3 % и снижает часовой расход топлива на 5,7 %, по сравнению с двигателем, оснащенный типовыми поршнями.
Современные тенденции в двигателестроении направлены на улучшение мощностных и топливо-экономических показателей двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Это, в свою очередь, сопровождается увеличением механической и тепловой нагрузки на детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Одной из наиболее нагруженных деталей ЦПГ является поршень. Перегрев поршня приводит к преждевременному износу трущихся поверхностей, залеганию поршневых колец и их поломкам, заклиниванию поршней, прогарам днища поршня и т.п. Современная технология может обеспечить защиту деталей двигателя, подверженных термическим нагрузкам, особенно поршней, путем использования структурного покрытия или специальных изолирующих материалов. Основная идея такого покрытия состоит в отражении тепловой энергии обратно в камеру сгорания, что должно предупреждать перегрев поршня. Теплозащитные покрытия наносят плазменным и детонационным методами, однако такие покрытия при работе разрушаются и поэтому они не нашли широкого применения для снижения температурного уровня поршня. Для улучшения теплоизоляционных свойств поршня предлагается на рабочих поверхностях головки поршня сформировать теплоизолирующее покрытие методом микродугового оксидирования (МДО). Отличительной особенностью МДО является участие в процессе формирования покрытия поверхностных микроразрядов, оказывающих весьма существенное и специфическое воздействие на формирующееся покрытие, в результате которого состав и структура получаемых оксидированных слоев существенно отличаются, а свойства значительно повышаются по сравнению с обычными анодными пленками. Проведенные сравнительные моторные испытания, результаты которых показали, что двигатель, оснащенный поршнями с теплоизолирующим покрытием на рабочих поверхностях головки, увеличивает мощность на 5,3 % и снижает часовой расход топлива на 5,7 %, по сравнению с двигателем, оснащенный типовыми поршнями.
Ключевые слова:
двигатель, теплоизолирующее покрытие, мощность, расход топлива, микродуговое оксидирование
двигатель, теплоизолирующее покрытие, мощность, расход топлива, микродуговое оксидирование
Введение. Состояние развития современного двигателестроения характеризуется форсированным протеканием газодинамических, тепловых, мощностных и прочностных режимов их работы. В свою очередь они сопровождаются дальнейшим ростом теплонапряженности основных деталей, образующих камеру сгорания, что обусловлено изменением протекания рабочего процесса и показателей двигателя. Одной из наиболее нагруженных деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) является поршень, на который воздействуют высокие механические и тепловые нагрузки [1]. Перегрев поршня приводит к преждевременному износу трущихся поверхностей, залеганию поршневых колец и их поломкам, заклиниванию поршней, прогарам днища поршня и т.п.
Установлено, что в практике двигателестроения для снижения теплонапряженности поршней двигателя внутреннего сгорания (ДВС) применяются различные способы [2].
Основными недостатками этих способов является изменение геометрических параметров, усложнение их конструкции и охлаждающей системы двигателя, увеличение массы, и как следствие, снижение долговечности и надежности и др.
Современная технология может обеспечить защиту деталей двигателя, подверженных термическим нагрузкам, особенно поршней, путем использования структурного покрытия или специальных изолирующих материалов. Основная идея такого покрытия состоит в отражении тепловой энергии обратно в камеру сгорания, что должно предупреждать перегрев поршня [3].
Известно, что оснащение дизельного двигателя поршнями с теплоизолирующим керамическим покрытием толщиной 0,2 – 0,9 мм, позволяет уменьшить эффективный расход топлива на 6 – 8 г/(кВт·час), за счёт снижения потерь теплоты и более полного сгорания топлива, по сравнению с двигателем, оснащенный типовыми поршнями [4].
Проведенные экспериментальные исследования на дизельном двигателе 1ЧН18/20, оснащенный алюминиевыми поршнями с покрытием из окиси алюминия толщиной (0,25 – 0,3)∙10-3м, показывают, что уменьшается эффективный расход топлива на номинальном режиме на 2,7г/(кВт·час), а на дизельном двигателе 2ЧН21/21 при n=1200 мин-1 и φоп= 36 – 38° происходит снижение эффективного расхода топлива на 5,44 г/(кВт·час) [5].
При использование теплоизолирующих покрытий из окиси алюминия толщиной (0,2 – 0,25)∙10-3 м на поршнях судового низкооборотного дизельного двигателя 1Ч 24/36 с объёмным смесеобразованием, вызвало уменьшение эффективного расхода топлива на нагрузках менее 45 % эффективной мощности двигателя на 2,5 – 13 г/(кВт·час) [6].
Известно, что для тепловой защиты рабочих поверхностей днища поршня и головки цилиндра ДВС использовались поршни и головки цилиндров с теплоизолирующим оксидным керамическим покрытием толщиной 0,06 мм, что позволило уменьшить теплоотвод от рабочих поверхностей деталей, снизить удельный расход топлива на 3,2% и увеличить максимальную мощность двигателя на 6% [7].
В результате испытаний дизельного двигателя Д-240Л установлено, что двигатель, оснащенный поршнями с теплоизолирующим корундовым покрытием, позволяет увеличить мощность на 8,6 % и снизить удельный расход топлива на 6,6 % по сравнению с двигателем, оснащенным типовыми поршнями.
В результате стендовых испытаний дизельного двигателя Д65НТ1, оснащенного поршнями с корундовым слоем и тефлоновым покрытием поверхностей трения, установлено снижение расхода топлива на 5,1%, увеличение развиваемой мощности с 44,72 кВт до 46,7 кВт, т.е. на 4,4%, что было обусловлено снижением суммарных тепловых и механических потерь на внутреннем трение. Произошло уменьшение дымности выхлопных газов с 46 до 30% [8].
Таким образом, теплозащитные покрытия, сформированные на рабочих поверхностях поршня, существенно улучшают работу дизеля. Снижаются «жесткость» процесса сгорания и максимальное давление при сгорании, что приводит к снижению шума, вибрации двигателя и токсичности отработавших газов. Увеличение скорости сгорания в основной фазе горения увеличивает полноту сгорания и обеспечивает более экономичный рабочий процесс.
Однако использование теплоизолирующих покрытий не нашли дальнейшего применения для улучшение теплоизоляционных свойств поршня, мощностных, топливо-экономических показателей двигателя, поскольку в процессе работы данные покрытия обладают двумя существенными недостатками: малой адгезионной прочностью на поршневых сплавах и низкой термостойкостью.
Условия, материалы и методы исследований. В последние годы одним из эффективных методов формирования теплоизолирующих покрытий является микродуговое оксидирование (МДО) [9], позволяющий создавать поверхностные покрытия, обладающие совершенно новыми теплопроводными свойствами, чем основной материал детали, при этом геометрические параметры и масса обрабатываемой детали не изменяются.
На основании ранее проведенных исследований изготовлен экспериментальный комплект поршней с теплоизолирующим покрытием на рабочих поверхностях головки (рисунок 1) [10].
В результате выполненных исследований структуры и элементного состава образца фрагмента экспериментального поршня установлено, что теплоизолирующее покрытие имеет хорошую адгезию с основным материалом алюминиевого сплава, четкий рельеф и неоднороден по своему составу, трещин и изломов в области контакта «основной материал – теплоизолирующее покрытие» не имеется, отчетливо наблюдается взаимопроникновение теплоизолирующего покрытия в основу материала. Толщина теплоизолирующего покрытия составляет 24…31 мкм, пористость 10…11 % [8, 11].
Для сравнительной оценки мощностных, топливно-экономических и экологических показателей двигателей, в штатной (типовые поршни) и экспериментальной (поршни с теплоизолирующим покрытием) комплектациях, проведены по ГОСТ 14846-81 моторные испытания на тормозном стенде МЭЗ-Всетин 926-4/V со штатными контрольно-измерительными приборами.
Показатели двигателя при моторных испытаниях определялись в условиях скоростной и нагрузочной характеристики. Показатели нагрузочной характеристики двигателя определяли при частоте вращения коленчатого вала 2200 мин-1, так как эта частота соответствует максимальному крутящему моменту по внешней скоростной характеристике двигателя УМЗ-421 и рекомендована заводом-изготовителем при снятии контрольных точек.
Скоростные и нагрузочные характеристики двигателя снимались после обкатки в течение 35 часов на нагрузочно - скоростных и температурных режимах.
Все системы и механизмы двигателя предварительно проверялись и регулировались, согласно руководству по эксплуатации автомобилей семейства УАЗ.
Анализ и обсуждение результатов исследований. В результате проведенных моторных испытаний были построены скоростные (рисунок 2) и нагрузочные (рисунок 3) характеристики двигателей в штатной и экспериментальной комплектациях.
Анализируя скоростную характиристику типового и экспериментального двигателя, можно наблюдать, что эффективная мощность двигателя (Ne), оснащенного поршнями с теплоизолирующим покрытием растет во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала.
При частоте вращения коленчатого вала 4200 мин-1 максимальная эффективная мощность двигателя, оснащенного поршнями с теплоизолирующим покрытием (рисунок 2) составила 77,5 кВт, что на 5,3 % больше по сравнению с мощностью двигателя, оснащенного типовыми поршнями (73,6 кВт). Удельный эффективный расход топлива (gе) на режиме максимальной мощности (n = 2200 мин-1) у двигателя, оснащенного поршнями с теплоизолирующим покрытием снизился на 9,4 % и составил 272,9 г/кВт·ч, тогда как у двигателя, оснащенного типовыми поршнями он равен 301,2 г/кВт·ч (рисунок 2), часовой расход топлива (GT), составил соответственно 23,1 кг/ч и 24,5 кг/ч (рисунок 2).
При частоте вращения 2200 мин-1 максимальный крутящий момент (MK) у двигателя, оснащенного поршнями с теплоизолирующим покрытием составил 217,4 Н·м, тогда как у двигателя, оснащенного типовыми поршнями 204,1 Н∙м (рисунок 2).
Анализ полученных нагрузочных характеристик показывает (рисунок 3), что на режиме максимальных нагрузок часовой расход топлива у экспериментального двигателя при номинальной мощности 55 кВт составил 15,3 кг/ч, тогда как у типового двигателя - 16,1 кг/ч.
Замеры на содержание оксида углерода (СО) и углеводородов (СН) в отработавших газах показали, что у двигателя, оснащенного поршнями с теплоизолирующим покрытием, по сравнению с двигателем, оснащенного типовыми поршнями содержание СО снизилось в среднем на 13 %, а СН на 9,3 % (рисунок 3).
Заключение. По результатам проведенных испытаний установлено следующее: использование поршней с теплоизолирующим покрытием на рабочих поверхностях головок в двигателе УМЗ-421 позволяет повысить его эффективную мощность на 5,3 %, максимальный крутящий момент на 6,5 %, снизить часовой и удельный эффективный расходы топлива соответственно на 5,7 % и 9,4 %, содержание в отработавших газах оксида углерода на 13 % и углеводородов на 9,3 %, по сравнению с двигателем, оснащенным типовыми поршнями.
1. Сибриков, Д. А. Снижение теплонапряженности поршневых групп судовых дизелей /Д. А. Сибриков: Дисс. ... канд. техн. наук.- Новосибирск, 2004. - 122 с.
2. Woschni G., Klaus B., Zeilinger K. Untersuchung des Wärmetransportes zwischen Kolben, Kolbenringen und Zilinderbuchse // MTZ. 1998. Nr. 9. - P. 556-563.
3. Grot K., Thiemann W. Beitraq zur Brennraumisoliering bei Viertaktdieselmotoren // Motortechnische Zeitschrift. - 1983. - P. 287-298.
4. Костин, А.К. Работа дизелей в условиях эксплуатации / А. К. Костин, Б.П. Пугачёв, Ю.Ю. Кочинев. - Л.: Машиностроение, 1989. - 286 с.
5. Никитин, М.Д. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей / М.Д. Никитин, А.Я. Кулик, Н.И. Захаров -Л.: Машиностроение. 1977. - 165 с.
6. Чигиринова, Н.М. Оксидные керамические покрытия - эффективная тепловая защита рабочих поверхностей деталей ЦПГ / Н.М. Чигиринова, В.В. Чигиринов, В.Е Чигиринов //Автомобильная промышленность. - 2004. - №6. - С. 30-34.
7. Шпаковский, В.В.Анализ эффективности применения поршней с корундовым слоем для снижения расхода топлива / В.В. Шпаковский, О.Ю. Линьков // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - №10 (57.) - С. 140-144.
8. Wang, Z. Microstructure and properties of ceramic coatings produced on 2024 aluminum alloy by microarc oxidation / Z. Wang, L. Wu, Z. Jiang, W. Cai, A. Shan // Journal of Alloys and Compounds. - 2010. - № 1. Т. 505. - P. 188-193.
9. Результаты теоретических и экспериментальных исследований теплонапряженности поршня ДВС с оксидированным днищем / А.Л. Хохлов, Д.М. Марьин, А.А. Глущенко, Д.А. Уханов // Нива Поволжья. - 2013. - №2 (27). - С. 100-106.
10. Марьин, Д.М. Структура и элементный состав оксидированного слоя на днище и поршневых канавках поршня ДВС / Д.М. Марьин, А.Л. Хохлов, А.А. Глущенко // Новости передовой науки-2014. Материалы X Международной научно-практической конференции. - София: «Бял ГРАД-БГ» ООД., 2014. - С. 56-60.
11. Аюгин П.Н. Исследование процесса сгорания топлива в дизельном двигателе в зимних условиях / П.Н. Аюгин, Н.П. Аюгин, Р.Ш. Халимов, Р.К. Сафаров, Д.Е. Молочников, В.А. Голубев // Техника и оборудование для села. - 2015. - №8. - с. 20-23.
