Зависимость износа двигателя от температуры

Зависимость износа двигателя от температуры

Работы по исследованию влияния низких температур на интенсивность изнашивания автомобилей, а также их агрегатов, систем и механизмов, ведутся многими авторами и организациями. Некоторые исследователи утверждают, что износ холодны х двигателей в процессе пуска составляет 50—70% от общих эксплуатационных износов. Другие авторы считают, что пусковые износы составляют около 7% эксплуатационных.

Такие расхождения объясняются тем, что исследования велись в разное время, на различных типах двигателей и в различных условиях (например, двигателях старых моделей, не имевших в цилиндрах антикоррозийных иирезистовых вставок). Вместе с тем, все без исключения исследователи подтверждают тот факт, что интенсивность изнашивания большинства элементов машин в условиях низких температур выше, чем в некотором диапазоне положительных температур.

По даннгм И. М. Примакова, износ двигателя В-6 при понижении температуры от 20 до —35° С увелиичвается в 2,0.-2,5 раза. А. А. Гуреев показал, что понижение температуры двигателя от -h20 до —30 °С ведет к увеличению скорости его изнашивания в 3 раза.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Г. С. Лосавио обобщил различные данные о величинах пусковых износов. Он предложил метод расчета величины пускового износа Двигателя в зависимости от температуры. В качестве параметра для сравнения величин ивносоз им принят диаметральный износ цилиндров за один пуск, выраженный в эквивалентном ему «пробеговом» износе цилиндров. На рис. 8 показана зависимость пробега, эквивалентного по износу одному пуску, от температуры двигателя при пуске по данным разных авторов.

Как видно из рисунка, при понижении температуры ниже — 0…—15 °С пусковые износы двигателей резко возрастают.

В наиболее неблагоприятных условиях с точки зрения износов при низких температурах находятся агрегаты трансмиссии — коробка передач и задние мосты. Многие авторы подтверждают, что наибольший износ шестерен главной передачи и коробки передач относится к условиям низких температур масла. Оптимальной температурой масла в этих агрегатах считается 50… 80 °С.

По данным А. И- Яговкина, с изменением температуры масла от +80 до 0 °С интенсивность изнашивания шестерен коробки передач и заднего моста увеличивается в 9—10 раз.

Изменение интенсивности изнашивания, естественно, влияет на показатели надежности. Общая схема воздействия низких температур на показатели надежности машин дана на рис. 9. Снижение надежности машин при низких температурах вызывается рядом причин. В свою очередь, эти причины приводят к увеличению частоты пусковых отказов, снижению долговечности элементов машин, ухудшению ремонтопригодности.

Наибольшее количество отказов наблюдается в самые холодные месяцы (рис. 10). По данным Якутского филиала Сибирского отделения АН СССР, число поломок рессор (1/100 тыс. км пробега) достаточно тесно коррелируется со снижением среднемесячной температуры окружающего воздуха (рис. 11).

Рис. 8. Зависимость пусковых износов двигателей от температуры:
1 — по Е. А. Чудакову; 2 — по О. В. Ды-бову; 3 —до В. П. Кариицкому; 4— по Л. Л. Демьянову; 5 — по Г. С. Лосавио; 6— по И. А. Туркевичу; 7 -по А. А. Гу-рееву; 8— по Г. С. Савельеву

Рис. 9. Общая схема воздействия низких температур на показатели надежности машин

Рис. 10. Распределение количества отказов по месяцам года:
1 — двигатель; 2 — подвеска; 3 — рулевой механизм (Якутский филиал СО АН СССР)

Причиной поломок рессор является хладноломкость, возникающая при воздействии на материал низких температур. Из сказанного следует, что необходимо проведение комплекса мероприятий, направленных на повышение надежности работы автомобилей при низких температурах.

Источник

Влияние низкой температуры на пусковые износы двигателей

В Российской Федерации около 80% грузовых автомобилей и другой техники эксплуатируется в зонах с довольно продолжительным холодным периодом. Так, в районах Крайнего Севера России продолжительность зимнего периода превышает 300 дней в год, а температура воздуха опускается ниже – 60 о С. В районах умеренного климата отрицательные температуры воздуха наблюдаются полгода. В этих условиях, как правило, хранение техники безгаражное. Такие условия эксплуатации предъявляют высокие требования к надежности подвижного состава автомобильного транспорта, к качеству эксплутационных материалов и технологическому оборудованию по предпусковой подготовке. Особенно актуальна эта проблема для двигателей, на которые приходится основная часть отказов, особенно в зимнее время.

Наиболее обоснованное объяснение пусковых износов дал Г.С. Лосавио. Поверхность деталей двигателя (гильз цилиндров, поршневых колец, шеек коленчатого вала, вкладышей) имеет микровыступы и микровпадины. Масло, включающее полярно-активные молекулы, прилипает к поверхности деталей. Благодаря этому масляная пленка надежно разделяет трущиеся поверхности, как в начале трения деталей, так и при их относительном движении с небольшими скоростями, что характерно для пусковых оборотов коленчатого вала. Эта пусковая масляная пленка в тонком слое обладает при низкой температуре повышенной механической прочностью из-за высокой вязкости.

Читайте также:  Падение оборотов двигателя после запуска

В других условиях оказываются и трущиеся поверхности, и пусковая масляная пленка в последующий после пуска период прогрева двигателя на холостых оборотах. При этом частота вращения коленчатого вала существенно выше (в 3-4 раза), но свежее масло еще не подается к поверхности трения из-за ее низкой температуры и высокой вязкости. Пусковая масляная пленка начинает разрушаться из-за быстрого повышения температуры, снижения вязкости и несущей способности. Эти процессы протекают в двигателе в течение 0,5-2 мин (Рис. 2.73), то есть в несколько раз продолжительнее самого пуска (5-15 с).

Во второй более длительный период прогрева (3-7 мин) двигателя на холостом ходу действуют все разрушительные факторы первого периода. Но в это время уже поступает масло из картера двигателя и температура и интенсивность изнашивания поверхностей трения снижаются. Следовательно, основной износ трущихся поверхностей обусловлен суммарным влиянием указанных факторов и происходит в период после пускового прогрева холодного двигателя. Используя эти соотношения и экспериментальные данные нескольких исследователей, была построена кривая (Рис. 2.74) пробега эквивалентного одному пуску по износу в зависимости от температуры окружающего воздуха. Видно, что в интервале температур от -30 о С до +30 о С этот пробег, а, следовательно, и потеря ресурса, возрастает в шесть раз.

Рис. 2.73. Зависимость времени τ запаздывания поступления масла к подшипникам после начала прокручивания коленчатого вала холодного двигателя от температуры t окружающего воздуха.

Рис. 2.74. Зависимость пусковых износов двигателей от температуры по данным
различных исследователей:

1- по Е.А. Чудакову: 2- по О.В. Дыбову; 3- по В.В. Карницкому; 4- по Л.А. Демьянову; 5- по Г.С. Лосавно;
6- по А.И. Туркевичу; 7- по А.А. Гурееву; 8- по Г.С. Савельеву.

После пуска и прогрева тепловой режим двигателя существенно зависит от температуры окружающего воздуха. Так температура охлаждающей жидкости в двигателях КамАЗ-740 при температуре окружающей среды +20 о С составляет в среднем 86 о С, а при температуре окружающего воздуха -20 о С в среднем 68 о С. Это также существенно сказывается на интенсивности изнашивания деталей двигателей.

При низкой температуре вследствие высокой вязкости масла его расход через пары трения недостаточен, из-за чего температура масляной пленки и поверхности трения высокая. По мере прогрева масла расход его через пары трения возрастает, что снижает температуру поверхности трения. Дальнейшее повышение температуры масла ведет к пропорциональному увеличению температуры поверхности трения, так как расход масла через пары трения при этом уже стабилизируется. Выполненные экспериментальные исследования по оригинальным методикам подтверждают полученные данные, о чем можно судить по Рис. 2.75.

Рис. 2.75. Зависимость температуры t коренных вкладышей (1), интенсивности изнашивания α шатунных (2) и коренных (3) шеек, гильз цилиндров (4) от температуры tм масла в картере двигателя.

Для обеспечения надежного запуска в зимнее время необходимо выполнить условие: частота вращения коленчатого вала стартером должна быть выше пусковой частоты. Минимальная пусковая частота по мере снижения температуры окружающего воздуха увеличивается (Рис. 2.76)

Рис. 2.77. Зависимость минимальных пусковых оборотов дизеля СМД-14 от температуры окружающего воздуха.

Частота вращения коленчатого вала стартером при снижении температуры окружающего воздуха уменьшается (Рис. 2.78) из-за снижения емкости аккумулятора, которая обусловлена повышением вязкости электролита и ухудшением условий подзарядки.

Рис. 2.78. Зависимость минимальных пусковых частот n вращения коленчатого вала двигателя КамАЗ от температуры окружающего воздуха tвоз:

1 – без применения элетрофакельного подогревателя; 2 – с применением электрофакельного подогревателя.

Поэтому для обеспечения надежности зимнего запуска двигателя необходима тепловая подготовка, в том числе и индивидуальная с помощью пусковых подогревателей. Об эффективности их можно судить по данным (Рис. 2.78) из которых видно, что надежный пуск при использовании пускового подогревателя достигает температуры окружающего воздуха – 30 о С, в то время как без него только – 10 о С.

Таким образом, для повышения надежности автомобилей в зимнее время необходимо улучшить условия запуска двигателя за счет использования различных способов и средств тепловой подготовки, в том числе и индивидуальных пусковых подогревателей.

Источник

Зависимость износа двигателя от температуры

Долговечность двигателей внутреннего сгорания определяется моторесурсом, который устанавливают по сроку службы наиболее ответственных деталей и узлов, подвергающихся в условиях эксплуатации процессу нормального механического истирания. Износостойкость деталей дизелей зависит: от конструктивных факторов – качества материала, смазки и топлива, удельного давления в зоне трения, скорости относительного перемещения: деталей; от эксплуатационных факторов – температурного и скоростного режимов работы дизеля, частоты и качества фильтрации масла, воздуха и топлива.

Линейная величина износа цилиндровых втулок и поршневых колец D принимается пропорциональной среднему условному давлению трения Ртр и теплонапряжённости q соответствующих деталей

Читайте также:  Чему равна кпд теплового двигателя у которого количество теплоты

D= Kтр Ртр qht, (1)

где Kтр – коэффициент пропорциональности износа; h – скорость вращения вала дизеля, об./мин; t – время работы.

Предложение о линейной зависимости трущихся деталей дизеля от теплового потока справедливо лишь для повышенного теплового состояния.

Заменим тепловой поток q1 , входящий в зависимость (1) выражением

где tст, tв – температура охлаждающей жидкости и внутренней поверхности стенки цилиндра; °C; в – коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей воде, ккал/м2.

Тогда будем иметь линейную зависимость износа трущихся деталей от их температурного состояния, которая характерна лишь для нерабочей зоны температур стенки цилиндра. Hа рис. 1 приведена опытная кривая износа гильзы от температуры охлаждающей жидкости.

Рис. 1. Зависимость износа гильзы цилиндра от температуры охлаждающей жидкости

Испытаниями установлено, что приращение температуры внутренней поверхности стенки цилиндра двигателя находится в линейной зависимости от приращения температуры охлаждающей жидкости. Поэтому приведенную кривую износа так же можно представить как функцию температуры трущихся деталей. Из графика видно, что она аналогична вязкостно-температурной кривой смазочных масел.

Смазочное масло, покрывающее зеркало цилиндра приобретает температуру стенки. Температура коренных и шатунных шеек коленчатого вала зависит от температуры смазочного масла. Отсюда очевидно влияние на износ коленчатого вала и цилиндров двигателя теплового режима его работы, определяемого температурой охлаждающей жидкости и масла.

C повышением температуры охлаждающей жидкости и, следовательно, смазочного слоя, на зеркале цилиндра уменьшается вязкость масла. Это приводит к снижению силы трения и повышению механического к.п.д. Одновременно сокращается конденсация паров серной кислоты на стенках цилиндра и износ последних.

Однако уменьшение износа стенок цилиндра при повышении температуры жидкости ограничивается возможностью нарушения при высоких температурах стенок (tст- 160–80°C) целостности масляной пленки на зеркале цилиндра, сильного окисления масла и уменьшения радиального зазора между поршнем и зеркалом цилиндра.

Bследствие этого повышение температуры охлаждающей жидкости для каждого двигателя и применяемых сортов масел имеет свой предел, который колеблется у существующих конструкций дизелей в интервале 110–120°C.

B реальных условиях работы подшипников скольжения и особенно поршней дизеля наблюдается режим полужидкостного трения.

Масляный слой нарушается изменением давления и направления движения. При разрыве масляной пленки происходит износ сопряженной трущейся пары. Увеличение износа трущихся деталей сопровождается пропорциональным ростом работы сил трения. Учитывая это, можно записать:

где v – удельная работа сил трения.

При этом полагается, что трущиеся детали двигателя подвергаются нормальному процессу абразивного износа, а изменение геометрических форм трущихся пар не влияет на интенсификацию износа.

Изложенная концепция полностью согласуется с распространенным энергетическим критерием износа, представляющим отношение объема продуктов истирания к работе сил трения, а также с законом изнашивания.

где Ктр = f(l) – уравнение эпюры удельных давлений; Sтр – путь трения.

Количественной мерой износа трущихся деталей служит вес продукта абразивного износа или линейная величина механического истирания деталей. Kосвенной мерой величины износа в единицу времени d может служить удельная работа сил трения в двигателе:

, (4)

где mц – количество цилиндров; Fп – площадь поршня.

При предельно допустимом износе в эксплуатации в шейках коленчатого вала и гильзах цилиндров моторесурс дизеля составит:

(5)

Заменяя (5) известное выражение

(6)

, (7)

где i – коэффициент тактности, i = 1,2; Cm – средняя скорость поршня, м/с; Ртр – среднее условное давление трения.

Переменный сомножитель из удельных параметров

. (8)

Можно принять в качестве комплексного критерия долговечности двигателей при сравнительной оценке их на износ.

Рис. 2. Потери механической энергии на трение в зависимости от скорости вращения вала дизеля при различных температурах масла

Мощность механических потерь на трение можно представить в виде:

(9)

где Мс – момент сопротивления двигателя, н•м; v – угловая скорость вращения вала дизеля, рад/с.

Момент сопротивления прокручиванию вала двигателя приближенно выражается известной эмпирической зависимостью:

, (10)

где h – параметр абсолютной вязкости масла, н•с/м2; Кс – постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей двигателя. Тогда:

. (11)

Получены зависимости потерь механической энергии на трение в зависимости от температуры дизельного масла и скорости вращения вала дизеля Д 50 М (рис. 2).

Подставив выражение (11) в (5), получим ещё одну функцию моторесурса двигателя:

(12)

В отличие от функции (7), представляющей зависимость моторесурса двигателя от конструктивных параметров, эта формула отражает зависимость долговечности дизеля от режимов эксплуатации.

Для определения износостойкости важнейших трудящихся деталей дизеля наложенным энергетическим методом в формуле (3) заменим выражение удельной работы сил трения:

где m – коэффициент трения скольжения; r – нормальное удельное давление; n – относительная скорость скольжения.

. (14)

Произведение Рn принято считать мерой износа трущихся деталей. Для обеспечения их долговечности оно не должно превосходить норм, выработанных практикой.

При определении моторесурса двигателя по ответственным деталям и узлам, ограничивающим срок его службы и имеющим правомерный износ, представляет интерес лишь наибольшая величина их местных износов. Максимальный местный износ гильзы цилиндра находится в зоне камеры сгорания от трения первых поршневых колец, а у коленчатого вала – во внутренней образующей шейки (между щеками).

Читайте также:  Обороты двигателя растут а скорость набирает плохо

Условия работы сил трения в этих зонах и должны приниматься при практических расчетах. В соответствии с этим наиболее точное значение срока службы двигателя может быть получено по исходному выражению (14) с принятием местных значений коэффициента трения, скорости скольжения и нормальных давлений, создаваемых давлением рабочих газов на поршень и силами инерции движущего механизма.

Удельную силу трения mР в применении к трущимся деталям двигателя внутреннего сгорания выразим через постоянное по углу поворота кривошипа среднее за цикл давление трения

,

где Fп – площадь поршня; Fтрi – площадь рассматриваемой поверхности в дизеле дг – доля среднего давления трения, приходящаяся на рассматриваемую поверхность трения.

Работа сил трения распределяется в дизеле на трение: в цилиндрах (цилиндрических втулках bц= 0,55–0,65), в шейках коленчатого вала (в = 0,35 + 0,45) и в распределительном механизме к насосах всех систем (bпр =0,03 + 0,05).

Рис. 3. Кривые долговечности дизеля в зависимости от скорости вращения вала (а) и абсолютной вязкости дизельного масла (б)

Площадь проекции поверхности коренной шейки коленчатого вала

а окружная скорость ее скольжения

,

где dв и lв – диаметр и длина шейки.

Пренебрегая трением поршня о стенки цилиндра, площадь трения определим по поверхности соприкосновения колец с гильзой:

где hk – рабочая ширина поршневого кольца; mk – количество колец на поршне.

С учетом приведенных зависимостей получим следующее выражение моторесурса двигателя по износу коренных шеек коленчатого вала

(15)

и цилиндровых втулок

. (16)

Из формул (11) и (12) видно, что работа сил трения, а следовательно, и моторесурс двигателя внутреннего сгорания определяются в эксплуатации скоростным и температурным режимом его работы. На рис. 3а,б построены в соответствии с формулой (12) кривые долговечности дизеля в зависимости от скорости вращения вала и абсолютной вязкости дизельного масла. Кривые приведены для рабочего диапазона изменения n и .

Из полученных выражений видно, что моторесурс двигателя при переменных режимах работы не зависит от нагрузки. Входящая в отдельные выражения величина среднего давления трения не зависит от нагрузки и определяется тема же параметрами, что и момент сопротивления Ртр = f(n, h). Отсюда, режимы холостого и груженого хода при одинаковых h и h оказывают на долговечность двигателя примерно одинаковое влияние.

Таким образом, моторесурс дизеля не зависит от следующих основных факторов: степени форсирования, диаметра цилиндра, числа оборотов коленчатого вала, жесткости конструкции и заложенного в ней уровня напряжений, а также удельных давлений между трущимися поверхностями, что косвенно может быть оценено удельным весом двигателя. Значительное влияние на моторесурс оказывает применяемые сорта топлива и масла, режимы работы и пр.

Установим теперь зависимость моторесурса дизеля с помощью теории множественной корреляции от параметров , где Д – диаметр цилиндра (см); n – число оборотов коленчатого вала (об./мин), – показатель степени форсирования; gдиз – удельный вес дизеля (кг/э.л.с.). Зависимость моторесурса дизеля от каждого из аргументов Д, n, , Ддиз в начале устанавливалась методом парной корреляции, а затем было выведено уравнение множественной корреляции, учитывающее совместное влияние перечисленных выше параметров на долговечность дизеля.

В линейной корреляционной связи моторесурса и диаметра цилиндра показателем тесноты связи этих двух величин является коэффициент корреляции. вычисленный по формуле

, (17)

где rМД – коэффициент корреляции; m – количество исходных величин в статистической выборке.

При изучении корреляционной зависимости моторесурса дизеля от четырех факторов ограничимся наиболее простым и важным для практических расчетов случаем прямолинейной корреляции, описанной в общем виде уравнением:

. (18)

Для удобства расчета выразим все переменные и зависимости между ними в стандартизированном масштабе и, проведя ряд математических преобразований, получим систему нормальных уравнений:

;

;

;

.

где rмддиз., rмп – коэффициенты корреляции; β2, β3, b4, b5 – стандартизированные коэффициенты уравнения множественной регрессии; К – отношение .

Определив коэффициенты корреляции rдп, rдк, rдgдиз, rпк, rмgдиз, rкgдиз и используя ранее полученные коэффициенты парной корреляции, найдем численные значения стандартизированных коэффициентов. Подставив значения этих коэффициентов в стандартизированное уравнение

(19)

получим уравнение множественной корреляции, характеризующее зависимость моторесурса дизеля от Д, n, , gдиз

.(20)

Выводы

1. Полученную для расчета моторесурса формулу (20) можно применять для определения долговечности дизелей.

2. Указанная формула (20) справедлива для номинального режима работы дизеля. Зная среднее значение Р, Ре, g, Д при эксплуатации в определенных климатических зонах и при конкретных режимах работы дизеля, можно ориентировочно оценить влияние режимов эксплуатации на ресурс двигателя.

Источник