Повышение экологичности и экономичности двигателей

Повышение экологических и технико-экономических  показателей автотракторных двигателей
путём компенсации овальности цилиндров
           Основными эксплуатационными факторами, влияющими на экологические
и технико-экономические  показатели автотракторных двигателей  являются  степень
износа деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и отклонения от их правильной
геометрической формы.
            Базовой деталью ЦПГ  наиболее распространённых автотракторных двигателей
является гильза цилиндра мокрого типа с фланцевой посадкой в верхней части и
резиновой уплотнительной манжетой в нижней с гарантированными зазорами между
верхними и нижними поясами гильзы и блока. Конструктивная особенность гильзы
в том, что  деформация гильзы  после сборки блока аналогична деформации тонкостенного
цилиндра, сжатого двумя диаметрально противоположными силами, приложенными у
торца /1/. При этом  искажение геометрии цилиндра в пределах упругости происходит
по всей длине, а поверхность цилиндра остаётся линейчатой, и большие оси овалов
нижнего и верхнего торцов взаимно перпендикулярны. Эта конструктивная особенность
гильз позволяет управлять овальностью цилиндров,  повысить качество цилиндров
за счёт уменьшения их овальности и поддержания  величины последней в заданных
интервалах в процессе эксплуатации двигателей.
            Известно, что в процессе эксплуатации двигателя гильзы изнашиваются
неравномерно как по высоте, так и по окружности, т.е. имеет место овализация.
Причиной образования эксплуатационной овальности цилиндров является увеличенная
нагрузка поршней на гильзы именно в плоскости качания шатунов.
             На овальность цилиндров влияет также несовершенство технологии сборки
блока цилиндров. Предусмотренные заводом-изготовителем предельные значения овальности
цилиндров 20мкм. после сборки оказываются завышенными. Сопоставление предельных
значений овальности цилиндров после сборки двигателей в авторемонтном и серийном
производствах с предельными значениями овальности в эксплуатации показывают,
что они отличаются в 1,5-2 раза. Таким образом до 50% и более ресурса теряется
в процессе изготовления и ремонта двигателей /1/.
             Характер искажения макрогеометрии  цилиндров после сборки и в прцессе
эсплуатации одинаков для большинства конструкций блоков цилиндров с «мокрыми
гильзами». Максимальная эксплуатационная овальность находится в зоне остановки
верхнего  компрессионного кольца в верхней мёртвой точке поршня. Максимальная
монтажная овальность также находится у бурта гильзы, причём большая ось овала
в этой зоне  также  расположена в плоскости качания шатуна. Такой характер деформации
 цилиндра   обусловлен большим проседанием  плиты блока в зоне перемычек. 
              Установлено, что задолго до предельного износа (0,4…0,5мм.) цилиндров
макрогеометрические отклонения, и в первую очередь овальность (более 0,1мм.),
является фактической причиной постановки двигателей на ремонт /2/. Отмечается,
что при значениях овальности 0,08…0,1мм. двигатель  эксплуатировать экономически
нецелесообразно из-за повышенного расхода масла на  угар, снижения мощности.
               От состояния сопряжения «цилиндр-поршневое кольцо» зависит интенсивность
роста зазоров между деталями ЦПГ. Известно, что снижение овальности цилиндров
способствует снижению интенсивности износа колец и канавок поршней, что в целом
способствует улучшению работы поршневых колец и улучшению уплотнения камеры сгорания.
Замена маслосъёмных колец после выработки предельного ресурса в некоторой степени
 восстанавливает средний уровень токсичности двигателя. Бесспорно, что если при
замене колец уменьшить овальность цилиндров до уровня предельной величины на
изготовление новых гильз, то эффект будет намного значительнее.
                Основным признаком для снятия двигателя с автомобиля и отправки
его в ремонт служит повышенный расход масла при отсутствии утечек. При стендовых
испытаниях, проведенных  НТЦ ПО «КамАЗ» на 10 двигателях, снятых с автомобилей
с пробегом 180-230 тыс.км., эксплуатирующихся в одинаковых условиях, было установлено,
что величина расхода масла на угар распределилась от 0,6 до 22% к  расходу топлива
в зависимости от степени износа деталей ЦПГ при  предельном значении – 2,6% /5/.
 
                  Макрогеометрия  деталей цилиндропоршневой группы оказывает
значительное влияние на гидромеханические характеристики сопряжения  «поршень-цилиндр»
на расход масла на угар, на потери на сопротивление движению поршня на смазочном
слое, на уровень шума. Улучшить качество сопряжения возможно путём конструирования
поршней с переменной овальностью по высоте, конструирования поршней с асимметричным
профилем юбки /8/. Однако, этот путь сложнее и дороже  и не позволяет производить
подрегулировку  сопряжения «гтльза-поршень» в течение всего срока службы.
               Количество картерных газов (КГ), а также их химический состав,
зависят от состояния  деталей ЦПГ, осуществляющих уплотнение камеры сгорания.
От величины зазоров между трущимися деталями ЦПГ зависит проникновение газов
из цилиндра в картер и обратно. При этом увеличивается доля углеводородов с канцерогенными
свойствами из-за повышенного  угара масла,  уменьшается  максимальное давление
цикла, происходит запаздывание воспламенения рабочей смеси, топливо не успевает
сгореть полностью, повышается дымность дизелей.
               При общем небольшом количестве КГ равном 2-10%  отработавших газов
(ОГ)  в общем балансе загрязнения атмосферы вредными веществами доля картерных
газов составляет около 10% у мало изношенных  двигателей и возрастает до 40%
при эксплуатации двигателей с изношенной ЦПГ, т. к. концентрация углеводородов
в КГ в 10-15 раз выше, чем в ОГ двигателей /3/.
               Содержание углеводородов в ОГ во многом зависит от технического
состояния  и регулировок двигателя и на холостом ходу колеблется от 100 до 5000%
и более /4/. На примере ускоренных испытаний, проведенных в НАМИ, установлено,
что к достижению предельного износа деталей ЦПГ, выбросы с ОГ углеводородов увеличиваются
в 10 раз.
                Следовательно, экологическая  безопасность  автотракторных  двигателей,
особенно  поддержание в течение всего срока службы заложенных заводом изготовителем
 экологических параметров – актуальная проблема.
                 Нужды эксплуатации при содержании парка в работоспособном состоянии
сбалансированы в основном  (КР), но их необходимые объёмы не выполняются и в
эксплуатации находятся двигатели в неудовлетворительном состоянии.  Часть двигателей
до 20%, поступающих на ремонтный завод вообще не требуют КР, поскольку изношены
один или два цилиндра. Двигатель же подвергается полной разборке, нарушаются
приработавшиеся сопряжения, ряд деталей при этом просто выбрасывается.
                 Поэтому  НТЦ ПО «КамАЗ» рекомендует производить на местах углублённый
текущий ремонт ЦПГ, кривошипношатунного и газораспределительного механизмов по
фактическому состоянию на пробегах в интервале 150…240 тыс.км., а оценку технического
состояния ЦПГ производить взаимосвязанно по двум параметрам: расходу картерных
газов, расходу масла на угар.
                 На основании выше изложенного  становятся актуальными задачи
изыскания путей снижения скорости образования овальности в цилиндрах и разработки
средств компенсации последней как при эксплуатации, так  и при ремонте двигателей.
                  Нами разработан способ компенсации овальности (КО) цилиндров
ДВС  с  мокрыми гильзами, позволяющий решить  эти задачи,  существенно усовершенствовать
систему углублённых текущих ремонтов двигателей и увеличить ресурс деталей ЦПГ.
                   В ВАИ ведутся работы по корректировке регулировок зажигания
и подачи топлива дизеля КамАЗ-740 в соответствие с износом ЦПГ с целью снижения
количества вредных выбросов двигателей.
                   Способ  КО  раскрывает возможности непосредственной регулиролвки
сопряжения «гильза-поршень» как главного фактора, характеризующего экономичность
и экологичность двигателя  и  свидетельствует, что экологтческие и экономические
резервы двмгателей далеко не исчерпаны.
                   Сущность  способа КО заключается в обжатии бурта гильзы посредством
установки компенсаторов  овальности, выполненных в виде пластин,  в зазор между
цилиндрическими поверхностями бурта гильзы и расточки в блоке под бурт. При этом
ось симметрии компенсаторов совпадает с болшей осью овала зеркала цилиндра в
 верхней его части.
                    При этом гильза ведёт себя как тонкостенный цилиндр, сжатый
двумя  диаметрально противоположными силами, приложенными у одного из торцев.
                    По предлагаемому техническому решению уменьшение овальности
происходит под действием радиально приложенных сил, сжимающих бурт гильзы при
установке компенсаторов с натягом. Под действием сил, сжимающих бурт гильзы,
образующие  зеркала цилиндра поворачиваются вокруг точек в «нейтральном сечении»
цилиндра. При этом характер деформации гильзы в пределах упругости такой, что
 искажение цилиндра происходит по всей длине, образующие зеркала цилиндра остаются
прямолинейными, а  большие оси овала у бурта и в нижней части гильзы  перпендикулярны.
 «Нейтральное сечение» - это  окружность, образованная  неподвижными  точками
образующих цилиндра, вокруг которых  последние поворачиваются под действием сил,
сжимающих бурт.  Расположение «нейтрального сечения» зависит от соотношения размеров
гильзы с её  диаметром. Так, например, в цилиндрах двигателей ЯМЗ  «нейтральное
сечение» расположено на расстоянии  170-190мм. от привалочной плоскости /6/.
                     Наиболее оптимальное  место расположения  «нейтрального
сечения» было бы  при отношении расстояния от плоскости верхнего компрессионного
кольца при положении поршня в нижней  мёртвой точке до привалочной плоскости
блока к  расстоянию от  «нейтрального сечения» до привалочной плоскости блока
 равном единице /7/. 
                     Оценка способа КО была проведена нами по снижению расхода
КГ на 11-ти двигателях  ЯМЗ-236 /6 /. Материалы обработки экспериментальных данных
овальности и расхода КГ до и после КО с разбивкой  по интервалам пробега представлены
в таб.1
                Экспериментально установлено, что при изменении пробега двигателя
от 0 до 300 тыс. км. овальность в цилиндрах изменяется в диапазоне 10…80 мкм.
При этом  расход КГ   изменялся соответственно от 0,9…1,3 м3/час до  5,3…6 м3/час.
Снижение овальности до 15-20 мкм. позволило снизить  количество КГ  до значений,
не превышающих 1,8 м3/час, т. е. способ  КО обеспечил снижение количества КГ
более, чем в 4 раза.
                 Способ был опробован на снижение СО, NO2  и гексана на 3-х двигателях
КамАЗ и одном двигателе ЗиЛ-130. Средние значения максимальной величины овальности
и концентрации указанных вредных веществ до и после  КО приведены в таб.2.
                  Данные  экспериментов показывают, что уменьшение средней максимальной
овальности в цилиндрах исследуемых двигателей с 50…70мкм. до 10…20мкм. в 4-ёх
или 5-и цилиндрах позволило обеспечить снижение  концентрации указанных вредных
веществ в выхлопных газах на 25-30%. Возможно предположить,  что при овальности
в цилиндрах 70-90мкм. и при овализации всех цилиндров более 30мкм. эффективность
установки  КО была бы выше. 
                                                                            
 
                                                                            
 Таблица 1        
Диапазон изменения пробега, тыс.км.     До компенсации  После компенсации 
        Овальность.мкм, Расход картерных газов,      м3 /час    Овальность, мкм.        Расход
картерных газов, м3/час
0…50    10…25   0,9…1,3 10…15   0,9…1,3
50…100  10…30   1,3…1,8 10…20   1,3…1,8
100…150 30…40   1,8…3,3 10…20   1,3…1,8
150…200 40…60   3,3…4,4 10…20   1,3…1,8
200…250 60…70   4,4…5,3 10…20   1,3…1,8
250…300 60…80   5,3…6   10…20   1,3…1,8






                                  Таблица 2
        До компенсации овальности       После компенсации овальности
        Величина максимальной  овальности в цилиндрах №1-8, мкм.        Концентрация СО, NO2
и гексана, об.% Величина максимальной овальности в цилиндрах №1-8, мкм. Концентрация
СО, NO2  и гексана, об.%
КамАз-740       40, 25, 20, 80, 50, 50, 20, 25  СО – 0,16       10, 25, 20, 15, СО – 0,13
                NO2 –0,010      10, 15,20, 25   NO2-0,006
                Гекс – 0,033            Гекс- 0,026
                        80, 50, 20, 50, СО – 0,12       20, 15, 20, 20, СО – 0,09
----- ----- -----       50, 40, 40, 15  NO2 –0,008      20,10, 20, 15   NO2- 0,007
                Гекс-0,0166             Гекс-0,0125
                        20, 15, 40, 110 CO –0,10        20, 15, 10, 20, CO –0,07
----- ---- -----        20, 20, 15, 20  NO2- 0,008      20, 20, 15, 20  NO2 – 0,006
                Гекс- 0,0286            Гекc- 0,0218
ЗиЛ-130 40, 50, 50, 20, CO- 0,25        15, 15, 10, 20  CO –0,15
        40, 15, 20, 50  NO2- 0,016      15, 15, 20, 10  NO2 –0,010
                Гекс- 0,0374            Гекс- 0,0224
               
Результаты  стендовых и эксплуатационных испытаний двигателей ЯМЗ, КамАЗ, ЗИЛ-130
 по оценке  снижения расхода масла на угар способом КО показали, что  уменьшение
овальности  со 100 до 20мкм.  позволяет снизить расход масла на угар на 25-30%.
               Применение способа КО целесообразно приурочить к  снятию головок
блока  (например, при замене прокладок под головками блока).  При этом  трудоёмкость
способа значительно снижается.
                С точки зрения уменьшения влияния овальности на интенсивность
износа  деталей ЦПГ, а также с учётом  нашего исконно пыльного бездорожья,  наиболее
рационально компенсацию овальности в цилиндрах производить через каждые 60 тыс.
км. пробега. Этот срок не очень малый, чтобы заметно увеличить трудоёмкость обслуживания,
 и в то же время подрегулировки с такой периодичностью существенно повысят  экономичность
и экологичность двигателей.
                 Таким образом, способ КО обеспечивает снижение  эксплуатационной
и монтажной овальности  в цилиндрах двигателей с «мокрыми гильзами» до уровня,
 не превышающего допуск на  изготовление новых гильз, и поддержание её величины
 на заданном уровне в процессе эксплуатации двигателей.
                  Способ КО позволяет уменьшить расход КГ более чем в 4 раза,
снизить расход масла на угар и токсичность ОГ  более чем на 30%.
                  Способ  существенно совершенствует систему текущих ремонтов,
увеличивает ресурс  деталей ЦПГ не менее чем в 2 раза, сокращает расход запасных
частей ЦПГ.
                  Способ прост в осуществлении, не требует каких-либо изменений
конструкции двигателей, выполняется  без снятия двигателя с эксплуатации, без
демонтажа  гильз из блока. После применения  КО не требуется длительная приработка
трущихся пар, т. к. при этом  исключается непосредственное воздействие на зеркало
цилиндра и положение гильз в блоке  не нарушается.
                   КО  выполняется за один час на одном блоке цилиндров при снятых
головках блока,т. е. является экспресс –методом снижения овальности в цилиндрах,
   а стоимость её выполнения немногим более стоимости снятия и установки головок
блока.
                    Дополнительные затраты по организации применения способа
КО пренебрежимо малы по сравнению с экономическим эффектом, который можно получить
за счёт  эффекта по снижению ущерба от повышенной токсичности двигателей, а также
за счёт экономии ГСМ.
                    Как уже отмечалось выше, содержание грузового автопарка в
работоспособном состоянии за счёт КР является  реально не выполнимой задачей.
                    Ужесточение технологических допусков на изготовление и сборку
двигателей – также невыполнимая задача в ближайшие годы.
                     Нереально ожидать массового поступления на отечественный
рынок автомобилей, соответствующих требованиям Правил ЕЭК ООН (Евро-2, Евро-3).
                     Бессмысленно ставить  вопрос о постановке нейтрализаторов
 на все автомобили.
                     Выполнение комплекса мер, связанных с применением способа
КО,  в грузовых и автобусных парках является технологически  легко выполнимой
задачей.
                      Возможно предположить, что способ КО целесообразно применять
и на двигателях европейских моделей   для снижения эксплуатационной овальности.
 Так, например,  на двигателях  Mercedes Benz  согласно  ТУ  гильзы  разворачиваются
 на 90 градусов  через 380 тыс. км. Бесспорно, что применение способа  КО в этом
случае было бы  эффективнее и дешевле.
                                                    
                                                     Литература.
1.      Билик Ш.М. Макрогеометрия деталей машин. М.: Машиностроение, 1973. 343с.
2.      Ждановский Н.С., Николаенко А.В.  Надёжность и долговечность автотракторных
двигателей. Л.: Колос, 1974. 222 с.
3.      Марков В.А. и др. Токсичность отработавших газов дизелей. М.: МГТУ им. Н.Э.
Баумана, 2002. 375с.
4.      www.autoguide.ru
5.      Кулаков А.,  Акинин С., Углублённый текущий ремонт двигателей КамАЗ // Автомобильный
транспорт,  1990. №10. С.49-50
6.       Головатенко А.Г. Повышение технико-экономических и ресурсных показателей
автотракторных двигателей путём компенсации овальности цилиндров: дис. … канд.техн.наук.
Новосибирск, 1994. 146с.
7.      Патент 2052147  (СССР) Двигатель внутреннего сгорания /Головатенко В.Г. и
др.
8.      Рождесвенский Ю.В., Маслов А.П. и др. Влияние геометрии деталей цилиндропоршневой
группы двигателя на гидромеханические характеристики трибосопряжения   «поршень-цилиндр»
//Двигателестроение, 2003. №2. С.15-18.