автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Технология очистки двигателей от нагароотложений

На правах рукописи

Катаев Юрий Владимирович

ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ОТ НАГАРООТЛОЖЕНИЙ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

О 5 СЕН 2013

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005532757

005532757

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ)

Научный руководитель: Корнеев Виктор Михайлович

кандидат технических наук, доцент.

Официальные оппоненты: Балабанов Виктор Иванович

доктор технических наук, профессор, декан технологического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К. А. Тимирязева»;

Юдин Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Надежность и ремонт машин имени И.С. Левитского» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет».

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса».

Защита состоится 30 сентября 2013 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина».

Автореферат разослан «2£» августа 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

А.С. Дорохов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эффективность работы дизелей оценивается мощностными показателями, топливной экономичностью и токсичностью отработавших газов, динамическими и пусковыми качествами.

В процессе эксплуатации энергетические, экономичностные и ресурсные показатели работы дизелей выходят за пределы регламентированных значений. Ухудшение этих показателей обусловлено множеством причин, в том числе и образованием на внутренних поверхностях деталей двигателя низкотемпературных отложений в виде асфальтосмолистых веществ и высокотемпературных - в виде нагаров.

Нагар приводит к нарушению оптимального теплового режима двигателей внутреннего сгорания, снижению их мощности и надежности, перерасходу топлива.

При достижении предельной толщины нагароотложений эффективная мощность дизеля снижается на 7 %, а удельный расход топлива повышается на 6 %, что объясняется ухудшением протекания рабочего процесса.

Исходя из вышеизложенного следует, что наличие нагароотложений на деталях оказывает отрицательное влияние на показатели работы двигателя, что предопределяет необходимость разработки эффективного способа их удаления.

Цель исследования. Повышение долговечности двигателей путем проведения профилактической очистки деталей от нагароотложений.

Объект исследования. Микроволновой процесс очистки деталей двигателя от нагароотложений водяным паром.

Предмет исследования. Количественные и качественные характеристики нагароотложений на деталях цилиндропоршнейой группы автотракторных двигателей.

Методы исследования. В основу теоретических исследований положены законы гидромеханики и термодинамики о движении жидкости и процессы ее взаимодействия с твердым телом. Экспериментальные исследования проведены с применением теорий планирования экспериментов, вероятности и математической статистики, использованием современного оборудования и приборов.

Научная новизна исследования заключается в разработке аналитической модели воздействия кинетической энергии молекул водяного пара на загрязненные поверхности объекта очистки с учетом повышенных значений давления и температуры кавитационных пузырьков, что подтверждается:

- получением аналитических зависимостей, характеризующих процесс тепломассообмена капель эмульгированного топлива;

- разработкой эффективной технологии очистки деталей двигателя от нагароотложений;

- обоснованием периодичности и режимов профилактической очистки деталей двигателя от нагароотложений.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается качественными показателями оценки работы дизеля по эффективной мощности, расходу топлива и токсичности отработавших газов.

Практическая значимость работы заключается в разработке технологии очистки двигателей от нагароотложений с использованием эффективной установки (патент на полезную модель №109423).

Реализация результатов исследования. Технология очистки двигателей от нагароотложений внедрена в СПК «Кудрявщинский» Данковского района Липецкой области, что подтверждена актом внедрения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях: «Научные проблемы автомобильного транспорта» (г. Москва, 9-10 апреля 2009г.), «Инновационные технологии в подготовке высококвалифицированных кадров для технического сервиса в АПК» (г. Москва, 5-11 октября 2009 г.), «Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии» (г. Москва, 7-8 октября 2010 г.), «Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве» (г. Москва, 12-13 мая 2011г.), «Инновационные проекты в области агроинженерии» (г. Москва, 6-7 октября 2011 г.), «Перспективы развития технического сервиса в агропромышленном комплексе» (г. Москва, 4-5 октября 2012 г.).

Публикации. Основные положения и научные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 работах, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК; получен патент на полезную модель №109423.

На защиту выносятся:

- теоретические основы способа очистки деталей двигателя от нагароотложений;

- технология профилактического способа очистки деталей двигателя от нагароотложений;

- эффективность технологии очистки двигателей от нагарообразований.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает

введение, пять глав, общие выводы, список используемых источников информации из 106 наименований, в том числе 7 на иностранном языке и приложения на 3 страницах. Объем диссертации - 135 страниц машинописного текста, поясняется 11 таблицами и 44 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика проблемы, изложены цель исследования, научная новизна и практическая значимость результатов исследования, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложены результаты анализа ранее выполненных исследований по вопросам нагарообразований у двигателей и способов их профилактики.

Образование нагароотложений в камерах сгорания, на днищах поршней, распылителях форсунок, тарелках клапанов и на других деталях является естественным явлением, обусловленным физико-химическими процессами, происходящими в топливе и масле под воздействием высоких температур и недостатка кислорода (рисунок 1).

ТоплиОо

Продукты неполного _сгорания_

Сгорание

H,0+S0+S0,+N0

продукты

Низкомолекулярные \ окисленные мономеры

Сажа

S03 -^продукты сгорания,__________

Смола и лак

Нагароотложения

Рисунок 1 - Схема образования нагароотложений в двигателе

Установлена динамика образования нагароотложений в зависимости от наработки двигателя. Так, при наработке дизелей до 60 мото-ч. (период обкатки) наблюдается локальное образование нагара на днище поршней. При этом толщина нагара составляет 20 — 60 мкм и он является рыхлым. При наработке дизеля от 60 до 960 мото-ч. наблюдается слабопрогрессирующее локальное нагарообразование с увеличением толщины до 250 - 290 мкм. При наработке дизеля более 960 мото-ч. отмечается более значительное увеличение нагаро-образования при уменьшении его локальности. При наработке 1200 - 1500 мото-ч. нагароотложения стабилизируются по толщине и при этом масса нагара на днище поршня и огневой поверхности головки блока цилиндров составляет 3,0 - 3,5 г. Дальнейшее ее увеличение без прироста толщины приводит к повышению твердости нагара.

В первой главе также приведены результаты анализа влияния нагароотложений в двигателе на его экономичностные, мощностные и ресурсные показатели; способов очистки деталей двигателя от нагароотложений и оборудования, применяемое для этих целей.

Значительный вклад в развитие теоретических и практических исследований в области очистки загрязненных деталей машин внесли ученые В.И. Балабанов, Г.П. Дегтерев, В.П. Мороз, A.B. Николаенко, H.A. Очковский, H.A. Петрищев, Е.А. Пучин, В.И. Савченко, А.П. Садовский, А.Ф. Сливов, Н.Ф. Тель-нов, В.М. Юдин и другие. На основе их трудов в ремонтно-обслуживающем производстве развиваются научно-методические основы повышения эффективности очистки деталей машин от различных видов загрязнений.

Исследованию технико-экономических показателей дизелей, работающих на водотопливной эмульсии, посвящены труды Болотова А.К., Гладкова O.A., Девянина С.Н., Лермана Е.Ю., Лиханова В.А., Попова В.М. и других ученых.

Результаты анализа существующих способов очистки двигателей от нагароотложений показали, что наиболее эффективным способом является профилактическая очистка путем подачи в цилиндры двигателя водяного пара.

На основании результатов проведенного анализа состояния вопроса и в соответствии с поставленной целью, в работе решались следующие основные задачи исследования:

- исследовать механизм нагарообразований на деталях двигателей;

- обоснование теоретических основ процесса очистки деталей двигателя от нагароотложений путем подачи пара в цилиндры;

- разработка аналитической модели процесса удаления нагароотложений в двигателе путем подачи водяного пара в цилиндры;

- разработка технологии удаления нагароотложений с деталей дизелей при техническом обслуживании техники;

- оценка экономической эффективности применения технологии очистки деталей двигателя от нагароотложений.

Во второй главе изложены теоретические предпосылки безразборного удаления нагароотложений при работе двигателя на водотопливной эмульсии. Обобщение результатов работ в области использования воды в рабочих процессах двигателя при формировании топливно-воздушной смеси показало, что наибольшее применение нашли способы подачи воды в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ).

Установлено, что при работе дизеля на водотопливной эмульсии значительно улучшается процесс смесеобразования за счет явления «микро-удар».

Исходя из результатов анализа проведенных исследований, можно сделать предположение, что рациональным и наиболее эффективным способом очистки от нагароотложений является подача воды в камеры сгорания двигателя в парообразном состоянии вместе с воздухом. При этом, необходимо отметить, что подача пара гарантирует отсутствие капельной влаги в двигателе и, следовательно, не способствует процессам износа и коррозии — отрицательным побочным эффектам, имеющим место при использовании ВТЭ.

При попадании капель воды в среду цилиндровых газов, ее температура в результате теплообмена с газами растет и может стать выше равновесной температуры кипения.

Перегрев жидкости приводит к возникновению внутри капель мета-стабильного состояния и условий для их вскипания. Вскипание воды, происходящее в виде «микро-ударов» капель, определяет локальное (кратковременное) управляющее воздействие воды на поверхности нагароотложений.

Термодинамический анализ состояния водотопливной смеси в цилиндрах двигателя основывается на предположении, что одновременно с подводом жидкости на каждом бесконечно малом участке термодинамического процесса отводится количество тепла, равное теплоте испаряющейся жидкости. После перехода воды из жидкого состояния в газообразное, происходит дальнейший отбор теплоты от цилиндровых газов. Пар, образовавшийся в результате испарения капель воды, в процессе теплообмена с газами будет нагреваться, что приведет к изменению теплоемкости смеси и ее внутренней энергии, вследствие чего создаются условия возникновения «микро-ударов».

Исходя из выше изложенного, сформулирована аналитическая модель процесса тепломассообмена капли ВТЭ, при этом приняты следующие ограничения и допущения: ввиду малости размеров капель пренебрегаем влияние на динамику движения частиц силы тяжести; температура в объеме капли одинакова, т.е. с1Т/с1К = 0, где К — радиус капли; пульсации среды происходят в одной плоскости; исключаем изменение формы и размеров капель при их нагреве.

Предположим, что капля ВТЭ с начальной температурой Гт0 помещена в возмущенную газовую среду. Параметры последней (давление Ри температура Т15 частота/и амплитуда А пульсаций скорости движения, а также закономерности изменения этой скорости) будем считать известными. Допустим далее, что 7\ » Тт0. Последнее вызовет интенсивный теплообмен между газом и каплей. При этом будет происходить следующая цепочка процессов:

прогрев частицы эмульсии до температуры Т„ перегрева воды. В течение этого периода будет происходить интенсивный процесс испарения легких фракций. Первый «микро-удар». Прогрев и испарение топлива, испарение воды в капле, перегрев образующихся водяных паров. Данный процесс продолжается до момента, когда объем капли достигнет критического значения. Второй «микро-удар» и т.д. В соответствии, с описанной выше физической картиной процесса тепломассообмена капли ВТЭ, разделим последний нaj периодов: у = 1 - период от начала прогрева частицы до первого «микро-удара»; у = 2- период между первым и вторым «микро-ударами»; _/ = 3 - период между вторым и третьим «микро-ударами» и т.д.

Будем считать, что первый «микро-удар» происходит мгновенно при температуре Тп перегрева воды. Изменение значений скорости движения газовой среды V, скорости движения капли со и перемещения капли Н при «микроударе» не происходит. Остальные величины будем определять в следующей последовательности.

Объем /'-ой фракции топлива в капле ВТЭ после «микро-удара»:

V* =■==. (1)

т Рт1

да), кг; рт| - плотность /'-ой фракции топлива, кг/м3.

Мт1

Р-А

где Мт1 - масса /-ой фракции топлива после первого «микро-удара» (в начале второго перио-

ии топлива, кг/м3.

мт> - МТ1К1 - ^МпкАки < (2)

где МТ,К1 - масса /-ой фракции топлива в капле, в конце первого периода (/' = 1); М*К1 - масса водяного пара, ушедшего из капли в результате первого «микро-удара»; 5х(кг - объемная концентрация /-ой фракции топлива в капле, в конце первого периода; кг - опытный коэффициент, характеризующий отток топлива из капли вследствие «микро-удара». Значение М„К1 находим по формуле:

М'к! =К + К, (3)

где М„, М„ - соответственно, массы пара, которые образуются за счет перегрева воды и теплоты топлива.

(4)

где Св - теплоемкость воды, кДж/кг-К; Г,, - температура перегрева воды, К; Тн - температура насыщения воды при данном давлении среды, К; г - удельная теплота парообразования воды, кДж/кг; МВ1 - масса воды в капле ВТЭ в конце первого периода (до «микро-удара»). Величины г и Св берутся по рекомендациям. Количество пара, которое образуется за счет теплоты топлива: м» = о д Я^-пРп-ПОМтжЛ

где Ст1 = Ст11 - теплоемкость топлива /-ой фракции. Масса воды после первого «микро-удара»:

МВ2 = МВ1-М;К1(1 + к2^), (6)

Ом

где /с2 - опытный коэффициент, характеризующий отток топлива из капли вследствие «микроудара».

Объем воды в капле ВТЭ после первого «микро-удара»:

VB=?- (7)

Рв

Суммарный объем капли ВТЭ после первого «микро-удара»:

VK = Zï V* + VB. (8)

Диаметр капли ВТЭ после первого «микро-удара»:

"K--J?. (9)

Объемная безразмерная концентрация /-ой фракции топлива в капле ВТЭ после первого «микро-удара»:

(10)

Объемная безразмерная концентрация воды в капле ВТЭ после первого «микро-удара»:

S*=TK- <")

Плотность капли ВТЭ после первого «микро-удара»:

Рэ = Xï(PTi Sri) + Рв SB. (12)

Таким образом, найдены все начальные параметры, необходимые для расчета следующего (J = 2) периода тепломассообмена капли ВТЭ, т.е. V, a, H, dK, Mxi, VTÎ, Vu, VK, STi, SB, p3.

Далее рассмотрены особенности следующих (за первым «микро-ударом») периодов. Исходными (начальными) данными для расчета этих периодов являются конечные значения искомых величин предыдущего периода.

Величина Мтц0 находится по формуле, которая в данном случае записывается так: МтЦ0 = Мт„_! - A:1M*Kj_1 ¿"Tij_i, (13)

где MTij_! - масса /-ой фракции топлива в капле в конце J— 1-го периода; - масса пара в конце j— 1-го периода, находится как сумма масс пара, образующихся в результате внутри-капельного испарения воды в течение j - 1-го периода (MnKj-i) и при выравнивании температур топлива и воды (М„").

Величина (М „к^) находится при расчете j - 1-го периода. Параметр М'п" определяется по формуле, которая записывается так:

К' = о,9Е;Ст1(Гт|-';Гн)Мт"-1, (И)

где - конечная температура топлива в j — 1-го периоде.

Таким образом, количество /-ой фракции топлива, которое остается в капле ВТЭ после j - 1-го «микро-удара» можно определить так:

MTii0 = MTi- к1(Мт_1+ MnSra-i- (15)

Объем /-ой фракции топлива в капле ВТЭ после j — 1-го «микро-удара»:

Ущо (16)

Масса воды в капле ВТЭ после j — 1-го «микро-удара»:

Мщ о = Мвы - M;Khl (l + к2 (17)

Объем воды в капле ВТЭ послеJ— 1-го «микро-удара»:

VBi0=^. (I»)

P в

Суммарный объем капли ВТЭ послеJ- 1-го «микро-удара»:

VKIO=2:;^JO+VbJO- (19)

Диаметр капли ВТЭ после j- 1-го «микро-удара»:

¿К)0 = (20)

Концентрация /-ой фракции топлива в капле ВТЭ послеу- 1-го «микро-удара»:

с _ Ут1)0 (211

Концентрация воды в капле ВТЭ после j - 1-го «микро-удара»:

г _ Vb>° (22)

Плотность капли ВТЭ после j- 1-го «микро-удара»:

P3jo = (1 - ^¡о) Z?(Pri 5Ti) + рв 5Bj0. (23)

Таким образом, и в этом случае найдены все начальные параметры, необходимые для расчета последующих (/ = 3,..., п) периодов тепломассообмена капли ВТЭ, т.е. V, со, Я, dKj0, MTij0, VTij0, VB¡0, VKj0, STi¡0, SB¡0, рэj0.

В соответствии с принятой физической интерпретацией процессов тепломассообмена капель ВТЭ, второй (/ = 2) и последующие (/' = 3; 4 и т.д.) периоды имеют одинаковое математическое описание. Физическая картина этих процессов сводится к следующему. Для них характерно интенсивное испарение воды внутри капель ВТЭ. Этот процесс протекает при постоянной температуре влаги, равной Гн. Образующийся пар препятствует теплообмену между топливом и водой. В результате, температура топлива будет повышаться. Это очень сложный процесс, точное математическое описание которого весьма затруднительно. Воспользуемся приближенным методом. Будем полагать, что количество теплоты, идущее на испарение воды, будет пропорционально величине:

ИЧк3, (24)

где к3 - опытный коэффициент, определяющий отток воды в капле ВТЭ за счет ее испарения.

Представим уравнение энергии в следующем виде:

-I! (Дч^) - AiB"iT = ^Kjfr - rTj)Nu*M( 1 + FXF2), (25) где AiB - разность энтальпий пара и жидкости воды; Мт1) - текущая масса ;-ой фракции топлива в капле ВТЭ; Мщ - условная масса воды в капле эмульсии.

Истинная величина Мщ определяется по выражению:

амщ _ I мв! \кз Эм^ 26

Эг VWnl+MBj/ Зт '

Нагрев /-ой фракции топлива находим по зависимости:

Величина Д/в определяется по специальным таблицам.

Уравнение баланса массы топлива будет иметь вид:

эм.

= -2йк£тЦршЦОп> (1 +

(28)

- концентрация паров 1-го ком-

где с1щ - текущий диаметр капли во время >го периода; С^ц -понента топлива на большом удалении от капли.

Анализ результатов теоретического расчета процесса тепломассообмена капель водотопливной эмульсии показывает (рисунок 2) резкое изменение испарения капли при введении в топливо водной фазы.

1,2

п 2>° Время, мкс

1 - дизельное топливо; 2 - ВТЭ Рисунок 2 — Изменение диаметра капли дизельного топлива и его ВТЭ с течением времени

Капля безводного топлива испаряется плавно, монотонно уменьшаясь в диаметре. При введении в топливо дисперсной водной фазы, скорость испарения капли резко уменьшается - сказывается влияние воды, имеющей большую теплоемкость по сравнению с «чистым» топливом. Выделяются два участка с различным характером протекания процесса испарения: прогрев капли ВТЭ до температуры перегрева воды и «микро-удары». При более детальном рассмотрении «микроударов» капли ВТЭ (рисунок 3) можно увидеть, что после первого «микро-удара» капля, под действием водяных паров, вновь начинает увеличиваться в диаметре до критического значения, после чего наступает новый «микро-удар». Так происходит до тех пор, пока топлива в капле не останется. Это свидетельствует о том, что результаты расчетов по предлагаемой модели достаточно полно отражают физическую картину происходящих при испарении капли ВТЭ процессов.

1,2 !----------------------—,-------,..............-........-.........—--------------

3,4

Время, мкс

Рисунок 3 - «Микро-удары» капли эмульгированного дизельного топлива (с!ко = 0,001 м; Гт0 = 305 К; Рг = 4 МПа; Т± = 873 К)

На рисунке 4 сравнивается прогрев капли дизельного топлива и его ВТЭ. Как видно, прогрев капли эмульсии идет значительно медленнее, чем безводного топлива. Вероятно, сказывается присутствие воды, имеющей большую, чем у топлива теплоемкость.

1 - дизельное топливо; 2 - ВТЭ; ттах - общая продолжительность существования капли ВТЭ; Т\ - текущее значение времени существования капли ВТЭ Рисунок 4 - Изменение температуры капель безводного и эмульгированного топлива (£гко = 0,001 м; Гт0 = 305 К; Рг = 4 МПа; 7\ = 873 К)

В работе также приводится теоретическая оценка механизма кавитацион-ного воздействия воды на нагароотложения. Доказано, что использование явления кавитационного взрыва пузырька возможно, и оно зависит от радиусов ка-витационного пузырька (Ятах и йтШ).

В третьей главе рассмотрены программа, методика, объект исследования и описание экспериментальной установки и средств измерения.

В качестве объекта исследований принят микроволновой процесс очистки деталей двигателя от нагароотложений водяным паром. Для получения водяного пара использовалась экспериментальная установка на базе электрического электродного парогенератора модели ПЭЭ-15 (рисунок 5).

Характер образования нагароотложений на поршнях оценивался по двум параметрам: толщине и твердости. Толщина нагароотложений замерялась толщиномером ТТ 230.

Статистическая обработка результатов проведена с использованием программы SPSS 12.0.

Оценка показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов дизеля при его работе на эмульгированных топливах различного состава проведена на обкаточно-тормозном стенде КИ-5473.

Эффективность разработанной технологии очистки деталей двигателей от нагароотложений оценивалась величиной компрессии в цилиндрах двигателя и стендовыми испытаниями очищенного двигателя в сборе.

Измерение величины компрессии в цилиндрах испытуемого двигателя Д-245.12 проводилось компрессометром КИ-28125.

По результатам опытов рассчитывался расход топлива ДСТ. эффективная мощность /Ve, часовой расход топлива GT, крутящий момент Мк, удельный эффективный расход топлива де.

По окончании испытаний двигателя и после обработки полученных данных строили кривые регуляторной характеристики в функции частоты вращения: Л/е, Мк, де, GT = /(пдв).

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований и их анализ.

Механизм образования нагароотложений на поверхностях днищ поршней двигателей Д-245.12 характеризуют данные, представленные на рисунке 6.

4

0,50,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1

А y=S 6,923 -1,1494

i \А

\

V

\

Л А

4х

3,5

2.5

1,5

н

0,5

у=0 , 0.01 ,5е 7Ü /

/

V

• /

50 100 150 200 250 Температура, °С а - толщина нагара;

300

50 100 150 200 250

Температура, "С б - твердость нагара

300

Рисунок 6 - Зависимости образования нагароотложений на поверхностях днищ поршней от их температур

Из анализа зависимостей следует, что при повышении температур днищ поршней от 100 до 300 °С толщина нагароотложений уменьшилась с 0,45...0,50

до 0,10...0,15 мм, что объясняется выжиганием нагара при повышении температуры поверхностей деталей двигателей. Твердость же нагара повысилась с 0,5 до 4,0.. .4,5 баллов по причине спекания нагара при высоких температурах.

При проведении исследований по обоснованию режимов и продолжительности очистки деталей водяным паром использовались двигатели с наработкой от 1200 до 1700 мото-ч.

Контроль за изменением толщины нагара производился через каждые 10 мин работы дизеля. На каждом скоростном режиме холостого хода и при каждой подаче воды определялось время работы дизеля до полной очистки нагара на поршнях в контрольной зоне (КЗ). На рисунке 7 представлены зависимости изменения толщины нагара в КЗ поршня от времени очистки на некоторых скоростных режимах холостого хода и различных подачах воды на впуске.

150

75,0

ha, мкм

37,5

Т, МИН -

1 - п=1000 мин"1, у=0,2; 2 - п=1200 мин"1, у=0,6; 3 - п=1400 мин"', у=0,8;

4-п=1600 мин"1, у=0,4; 5 -п=1925 мин"\у=1,0 Рисунок 7 - Изменение толщины нагара в зависимости от времени очистки

Из анализа полученных зависимостей установлено, что в начале очистки её интенсивность незначительна (участок «а - Ь» кривая 5). В процессе дальнейшей очистки толщина нагара резко уменьшается (участок «с - с!»). По нашему мнению, характер изменения толщины нагара от времени очистки происходит потому, что на первом участке кривой нагар становится пористым и рыхлым.

Эффективность очистки нагара от скоростного режима и различных подач воды на впуске оценивалась скоростью очистки. Изменение скорости очистки нагара в зависимости от частоты вращения дизеля и количества воды на впуске представлено на рисунке 8.

в зависимости от частоты вращения и количества воды на впуске

Из анализа полученных зависимостей установлено, что при увеличении подачи воды на впуске скорость очистки возрастает. При увеличении частоты вращения холостого хода дизеля скорость очистки также возрастает. Так, при подаче воды 0,4 дц и частоте вращения 1400 мин"1 скорость очистки нагара составила 2,83 мкм/мин, при этом же скоростном режиме холостого хода и подаче воды 0,8 дц скорость очистки составила 3,26 мкм/мин, т.е. увеличилась на 0,43 мкм/мин или на 15,2 %. При частоте вращения 1200 мин"1 и подаче воды 0,6 дц скорость очистки составила 2,59 мкм/мин, при частоте вращения 1600 мин"1 и той же подаче воды скорость очистки составила 3,48 мкм/мин, т.е. увеличилась на 0,89 мкм/мин или на 25,6 %.

Из исследований вариантов скоростного режима холостого хода дизеля и количества воды на впуске, максимальная скорость очистки С™ах наблюдается при максимальной частоте холостого хода дизеля 1925 мин"1 и подаче воды 1,0 в долях от цикловой подачи топлива и составила 4,40 мкм/мин. При данной скорости продолжительность очистки не превышает 30 мин.

Установлено, что при очистке нагароотложений с деталей двигателя при подаче воды на впуске на нагрузочном режиме (кривая 1) и на режиме холостого хода (кривая 2) средняя скорость очистки неодинакова и составляет соответственно 6,73 мкм/мин и 4,41 мкм/мин, т.е. в 1,53 раза больше средняя скорость очистки на нагрузочном режиме, чем на режиме холостого хода.

Оценка технической эффективности разработанной технологии очистки деталей двигателей от нагароотложений по результатам производственных испытаний приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Технические показатели двигателя Д-245.12 до и после применения очистки ___

Наименование показателя До испытания После испытания

Расход картерных газов, л/мин 67,0 49,0

Компрессия по цилиндрам, МПа:

1-й цилиндр 2,05 2,35

2-й цилиндр 1,9 2,25

3-й цилиндр 1,85 2,2

4-й цилиндр 1,95 2.3

Мощность, кВт 50,6 54,8

Удельный расход топлива, г/кВт ч 210 196

Дымность отработавших газов, % 10 6

Полученные данные свидетельствуют, что улучшение технических показателей дизеля является результатом удаления нагароотложений.

В пятом разделе приведены результаты расчета экономического эффекта от внедрения разработанной технологии. Расчет экономической эффективности проводился на примере использования рекомендаций по очистке от нагара деталей тракторных и комбайновых двигателей. Оценивалось влияние увеличения мощности и экономичности двигателей на производительность машин и увеличение производства сельскохозяйственной продукции. Исследования показали, что на каждый рубль затрат по очистке деталей двигателей от нагара, хозяйство получает 2-3,5 рубля прибыли, а срок окупаемости этих затрат не превышает одного года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Наличие нагароотложений на деталях двигателя отрицательно влияет на технико-экономические показатели его работы. Установлено, что при достижении предельной толщины нагароотложений эффективная мощность дизеля снижается, а удельный расход топлива и дымность отработавших газов повышаются и при этом детали двигателя работают в условиях повышенных термических напряжений.

2. Теоретически обосновано, что разрушение нагароотложений при работе двигателя на водотопливной эмульсии происходит за счет явления «микроудара» капель эмульгированного топлива, скорость испарения которых зависит от их диаметра, давления и амплитуды газовой среды.

3. Экспериментально установлено, что при работе дизеля на эмульгированном топливе эффективный КПД дизеля (эффективность процесса сгорания) повысился с 0,386 до 0,402, а дымность ОГ снизилась с 28 % до 18 %, что объясняется улучшением качества процесса смесеобразования за счет возникновения «микро-ударов».

4. Выявлено, что при повышении температуры на поршнях от 100 до 300°С твердость нагара повысилась с 0,5 до 4,5 баллов. Установлено, что максимальные значения толщины (130 мкм) и твердости (3 балла) нагара наблюдаются у двигателей с наработкой 960...1000 мото-ч., что предполагает проведение профилактической очистки двигателей от нагароотложений при ТО-2.

5. Установлено, что очистку двигателя от нагароотложений целесообразно проводить при подаче воды в количестве 60 % от цикловой подачи топлива на максимальной частоте холостого хода в течение 30 мин.

6. Полученные результаты экспериментальных и производственных испытаний технологии безразборной очистки двигателей свидетельствуют, что увеличение среднего значения компрессии по цилиндрам двигателя на 11 % и мощности двигателя на 19 %, а снижение удельного расхода топлива на 10 % и дымности отработавших газов на 16 % являются результатом удаления нагароотложений в двигателях.

7. Внедрение разработанной технологии очистки двигателей от нагароотложений позволяет на 20 % сократить трудоемкость процесса. Эффективность затрат составляет 3,4 руб./руб./год при сроке окупаемости менее года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Катаев, Ю.В. Актуальность очистки деталей двигателя от нагароотложений [Текст] / Ю.В. Катаев, В.М. Корнеев //Международный технико-экономический журнал. - 2010. - № 1. - С. 63-65 (0,32/0,16).

2. Катаев, Ю.В. Влияние нагароотложений на работу двигателя [Текст] / Ю.В. Катаев, В.М. Корнеев // Сельский механизатор. - 2011. - № 1. - С. 36-37 (0,22/0,11).

3. Катаев, Ю.В. Безразборная очистка двигателя от нагара [Текст] / Ю.В. Катаев // Сельский механизатор. - 2011. - № 9. - С. 34-35 (0,22).

4. Пат. 109423 РФ, МПК В08В 3/00 (2006.01). Установка для очистки от нагара деталей двигателя внутреннего сгорания [Текст] /Ю.В. Катаев, В.М. Корнеев, A.C. Дорохов; заявитель и патентообладатель Катаев Ю.В. — № 2011119539/06; заявл. 16.05.2011; опубл. 20.10.2011, Бюл. № 29. - 2 е.: ил.

Публикации в других изданиях

1. Катаев, Ю.В. Анализ способов удаления нагароотложений в системах двигателя [Электронный ресурс] / Ю.В. Катаев, В.М. Корнеев // Сет. научн,-метод. электрон. Агрожурнал МГАУ. - 2011. - № 15. - Режим доступа: http://agromagazine.msau.ru/index.php/issue-15/artikles-15/53 l-korneev.html. - № гос. регистрации 0421100044/0011 (0,34/0,17).

2. Катаев, Ю.В. Теоретические предпосылки безразборного способа очистки двигателя от нагароотложений [Текст] /Ю.В. Катаев // Инновации молодых ученых агропромышленному комплексу: сб. научн. трудов. - М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2011. - С. 60 - 63 (0,32).

Подписано в печать 27.06.13 г. Формат 60x64/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 915 Отпечатано в издательском центре ФГБОУ ВПО МГАУ: 127550, Москва, Тимирязевская, 58. Тел. (499) 976-02-64

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.П. ГОРЯЧКИНА»

04201361056

Катаев Юрий Владимирович

ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ОТ НАГАРООТЛОЖЕНИЙ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Корнеев В.М.

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................... 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................................... 8

1.1. Механизм образования нагароотложений на деталях двигателя при эксплуатации...................................................................................... 8

1.2. Влияние нагароотложений в двигателе на его экономичност-ные, мощностные и ресурсные показатели................................................... 19

1.3. Анализ способов очистки деталей двигателя от нагароотложений. 24

1.4. Выводы и задачи исследования................................................. 37

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ФИЗИКО-

МЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАЗРУШЕНИЯ НАГАРООТЛОЖЕНИЙ НА ДЕТАЛЯХ ДВИГАТЕЛЯ................................................ 39

2.1. Теоретические предпосылки удаления нагароотложений при работе двигателя на водотопливной эмульсии....................................... 39

2.2. Аналитическая оценка процесса тепломассообмена капель эмульгированного топлива........................................................................ 41

2.3. Анализ результатов теоретического расчета процесса тепломассообмена капель водотопливной эмульсии............................................... 50

2.4. Теоретическая оценка механизма кавитационного воздействия воды на нагароотложения......................................................................... 56

2.5. Выводы по результатам теоретических исследований............. 64

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................ 65

3.1. Объект исследования и описание экспериментальной установки. 65

3.2. Методика оценки характера образования нагароотложений на деталях двигателя...................................................................................... 67

3.3. Определение оптимального количества воды в эмульгированном топливе................................................................................................. 69

3.4. Определение оптимального количества воды, подаваемой во

впускной воздушный патрубок................................................................. 71

3.5. Оценка эффективности очистки деталей дизеля от нагароот-ложений...................................................................................................... 72

3.6. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований................................................................................................. 78

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................... 80

4.1. Исследование работы дизеля на эмульгированных топливах..... 80

4.2. Результаты исследования механизма образования нагаро-отложений на деталях двигателя............................................................. 89

4.3. Результаты исследования подачи оптимального количества воды во впускной воздушный патрубок.................................................. 98

4.4. Оценка технической эффективности разработанной технологии очистки деталей двигателя от нагароотложений............................ 110

4.5. Выводы по результатам экспериментальных исследований..... 113

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ДВИГАТЕЛЯ ОТ НАГАРООТЛОЖЕНИЙ.................................................................................... 115

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................ 120

БИБЛИОГРАФИЯ............................................................ 122

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................... 132

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность работы автотракторных дизелей оценивается комплексом эксплуатационно-технических характеристик: уровнем форсирования и мощностными показателями, топливной экономичностью и токсичностью отработавших газов, динамическими и пусковыми качествами.

В процессе эксплуатации сельскохозяйственной техники энергетические, экономичностные и ресурсные показатели работы дизелей выходят за пределы регламентированных значений. Ухудшение этих показателей обусловлено множеством причин, в том числе и образованием на поверхностях деталей двигателя низкотемпературных отложений в виде асфальтосмоли-стых веществ и высокотемпературных - в виде нагаров. Этим видам загрязнений подвержены камеры сгорания, клапаны, поршни, форсунки, проточные части турбокомпрессоров, выпускные коллекторы и другие детали [3, 79].

Классификация углеродистых отложений на поверхностях деталей двигателя предполагает существование трех основных их групп: осадки, лаки и нагары.

Осадки (асфальтосмолистые отложения) представляют собой смесь различных углеродистых соединений и минеральных частиц, которые выпадают из работающего дизельного масла и образуют отложения в картере двигателя, маслоотстойниках и фильтрах в виде густой липкой массы черного цвета. В их состав входит до 60 % масла, а остальное - сажа, вода, смолы, частицы пыли и металлические продукты износа.

Лаковые отложения образуются на соприкасающихся поверхностях деталей двигателя в процессе термического разложения топливо смазочных материалов в виде пленки, состоящей из различных углеродистых соединений.

Нагары на поршнях, клапанах, форсунках, в выпускных коллекторах, в проточных частях турбокомпрессора представляют собой спекшуюся массу из разложившегося при высокой температуре масла, смол, сажи, пыли, продуктов неполного сгорания топлива. Они относятся к группе твердых углеродистых отложений и имеют высокие теплоизоляционные свойства и низкую теплопроводность.

В составе лаков и нагаров на долю органических соединений (масла, смолы, оксикислоты, асфальтены, карбены, карбоиды) приходится от 1/20 до 1/3 общего количества загрязнений наружных поверхностей. Остальную часть составляют неорганические вещества, преимущественно окислы кремния (песок, пыль) и оксиды железа (продукты коррозии и износа металла). Нагары и лаки имеют прочное сцепление с поверхностью металла [61].

Излишнее накопление нагара приводит к нарушению оптимального теплового режима двигателей внутреннего сгорания, снижению их мощности и надежности, перерасходу топлива [4].

По результатам исследований установлено, что у турбокомпрессора ТКР-11 уменьшение условного проходного сечения в результате нагароотложений вызывает снижение расхода воздуха через двигатель и, как следствие, повышение температуры выпускных газов перед турбиной. Но повышение температуры на турбине с большим отложением нагара не компенсирует снижение расхода газа. Следовательно, заметно снижается мощность турбины и давление наддува. Снижение расхода воздуха ведет к повышению удельного расхода топлива дизеля и росту теплонапряженности его деталей и узлов. Через 1 ООО мото-ч. работы дизеля происходит снижение частоты вращения ротора турбокомпрессора на 7-13 %, давления наддува на 100 - 200 Кпа, увеличение расхода топлива возрастает на 3,8 %, снижение эффективной мощности на 18,5 % [15].

Тепловое состояние деталей двигателя является одним из основных факторов, определяющих его работоспособность. Как установлено исследованиями [2], величина термических напряжений в 2...3 раза больше напряжений, вызываемых механической нагрузкой.

Вследствие того, что нагар является теплоизолятором, образование его на днище поршня и огневой поверхности головки цилиндров приводит к перераспределению тепловых потоков. При отложении нагара на поверхности поршня до 2 мм, температура в днище поршня возрастает с 320 до 580 °С, а отвод тепла от поршня к маслу практически прекращается, несмотря на подачу его в каналы масляного охлаждения. Сформулирован вывод, что нагар,

отложившийся на днище поршня, влияет на температурное состояние поршня значительнее, чем условия эксплуатации мобильного энергосредства.

Нагар является одним из основных факторов появления неисправностей в двигателе, а именно: нарушение работы клапанов, свечей зажигания, форсунок, увеличение износа деталей и др. Отложение нагара на седлах клапанов препятствует их нормальному закрыванию, что приводит к их прогару. При отложении нагара на внутренних полостях распылителей форсунок ухудшается герметичность и происходит зависание иглы распылителя, что приводит к нарушению рабочих процессов распыливания топлива в камере сгорания двигателя.

Таким образом, проведенный анализ состояния вопроса по теме исследования обозначил актуальность проблемы восстановления мощностных и экономичностных показателей двигателя путем удаления с поверхностей деталей нагароотложений.

Объект исследования - микроволновой процесс очистки деталей двигателя от нагароотложений водяным паром.

Предмет исследования — количественные и качественные характеристики нагароотложений на деталях цилиндропоршневой группы автотракторных двигателей.

Цель исследования - повышение долговечности двигателей путем проведения профилактической очистки деталей от нагароотложений.

Методы исследования. В основу теоретических исследований положены законы гидромеханики и термодинамики о движении жидкости и процессы ее взаимодействия с твердым телом. Экспериментальные исследования проведены с применением теорий планирования экспериментов, вероятности и математической статистики, использованием современного оборудования и приборов.

На защиту выносятся:

- теоретические основы способа очистки деталей двигателя от нагароотложений;

- технология профилактического способа очистки деталей двигателя от нагароотложений;

- эффективность технологии очистки двигателей от нагароотложений.

Решение задач исследования опиралось на концепцию федеральной технической политики и стратегического прогноза развития технического сервиса в агропромышленном комплексе.

Научная новизна исследования заключается в разработке аналитической модели воздействия кинетической энергии молекул водяного пара на загрязненные поверхности объекта очистки с учетом повышенных значений давления и температуры кавитационных пузырьков, что подтверждается:

- получением аналитических зависимостей, характеризующих процесс тепломассообмена капель эмульгированного топлива;

- разработкой эффективной технологии очистки деталей двигателя от нагароотложений (патент на полезную модель №109423);

- обоснованием периодичности и режимов профилактической очистки деталей двигателя от нагароотложений.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается качественными показателями оценки работы дизеля по эффективной мощности, расходу топлива и токсичности отработавших газов.

Практическая значимость работы заключается в апробированной в производственных условиях технологии очистки двигателей от нагароотложений и результатами эксплуатационных испытаний.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 5 статьях (3 из них - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций) и тезисов докладов, имеется патент на полезную модель.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список используемых источников информации из 106 наименований, в том числе 7 на иностранном языке и приложения на 3 страницах. Объем диссертации - 135 страниц машинописного текста, поясняется 11 таблицами и 44 рисунками.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Механизм образования нагароотложений на деталях двигателя

при эксплуатации

В условиях эксплуатации мощностные, экономичностные и экологические показатели дизелей в значительной степени зависят от технического состояния деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Существенное влияние на показатели работы дизеля оказывает образование нагара на огневых поверхностях цилиндра. Нагары и лаковые отложения образуются на поршне, головке блока, клапанах, в распыливающих отверстиях распылителей форсунок. Наибольшее количество отложений нагара образуется на днище и канавках поршня, на головке цилиндра, гильзе и поршневых кольцах.

Основными причинами, вызывающими образование нагара, являются неполнота сгорания топлива и длительность использования моторного масла. В основе образования нагара является сажа, органически связывающий материал и низкомолекулярные «предпламенные» продукты [1,2]. Сажа является продуктом неполного сгорания топлива. Количество сажи, образующейся на поверхностях деталей ЦПГ, зависит от процессов горения топливно-воздушной смеси в камерах сгорания двигателя. Органически связывающий компонент образуется в результате окисления моторного масла и жидких продуктов неполного сгорания при высоких температурах в присутствии кислорода и окислов серы [3,4]. «Предпламенные» продукты образуются в конце такта сжатия и представляют собой продукты термоокислительных превращений углеводородов. В результате дальнейшей полимеризации эти продукты образуют лаковые отложения и нагары.

Процесс образования нагароотложений [1,5] заключается в том, что при работе дизеля в результате неполного сгорания топлива и термоокислительных превращений углеводородов масла, в масле накапливается сажа и соединения, содержащие карбонильные, карбоксильные и гидроксильные функци-

ональные группы, ненасыщенные соединения и нитроэфиры. В результате сгорания серы, присутствующей в топливе, в цилиндрах двигателя конденсируется серная кислота. Высокая температура деталей ЦПГ (300...320 °С при работе дизеля на номинальном режиме) обеспечивает необходимую энергию активации, в результате взаимодействия которой между функциональными группами образуются полимерные продукты. Присутствие в масле серы, кислорода и других элементов способствует переходу полимерных продуктов в лаки и смолы. Последующее окисление и полимеризация указанных выше продуктов приводит к их переходу в твердые углеобразные отложения. Такой процесс образования нагара характерен для высокотемпературного режима работы дизеля.

Схема процесса образования нагароотложений в дизельных двигателях приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1- Схема образования нагароотложений в дизельном двигателе Образование нагара зависит от конструктивных особенностей дизеля и условий его эксплуатации. К.Э. Кливленд, А.Е. Энох, A.B. Николаенко при

исследовании влияния поверхности (рельефности) детали на образование нагара установили, что чем больше рельефность, тем больше отложения нагара. Высокотемпературные отложения в зависимости от режима работы дизеля, качества топлива и масла могут иметь различную консистенцию, твердость и способность сцепления с поверхностями деталей. В результатах исследований Л.К. Михайлова [2] утверждается, что толщина нагара увеличивается на деталях с более низкой температурой, что объясняется отводом теплоты от газовой смеси, приводящим к увеличению зоны существования нагара. При увеличении температуры на поверхности уменьшается толщина нагара, но увеличивается твердость. В исследованиях А.И. Проскурина [6], проведенные на одноцилиндровом предкамерном дизеле (со степенью сжатия 19) показали, что при увеличении температуры стенок с 200 до 500 °С интенсивность образования нагара снизилась в 30 раз вследствие выгорания нагара. Установлено, что различные сорта топлив и масел могут изменить температуру деталей на 10...12 % [7,8,9].

В связи с расширением ассортимента применяемых топлив, результаты проведенных исследований А. И. Меленчука, В.П. Зуева, Н.П. Парфенова, Ю.М. Пименова, В.А. Татарницева [8,10,11,12,13] показали влияние топлив фракционного состава на процесс образования нагароотложений. Так, например, при увеличении содержания серы в топливе с 0,01 до 0,4 % интенсивность образования нагара возрастает в 1,5...4 раза [12]. Исследованиями М.А. Григорьева [14] установлено, что нагар, образующийся в результате сгорания сернистых соединений, отличается большей плотностью и твердостью, что является одной из основных причин повышенного износа деталей двигателя, работающего на сернистых топливах.

К.К. Папок [5] предложил теорию образования нагара, в соответствии с которой различают: зону образования нагара, начало образования нагара, фазу роста нагара и фазу равновесного состояния нагара (рисунок 1.2). Зоной образования нагара с предложенной теорией считается участок поверхности детали, где созданы условия для формирования и удержания нагара. Главными

критериями, влияющими на величину зоны, являются: состав топливно-воздушной смеси и температура поверхностей деталей двигателя. Началом образования нагара является появление в зонах образования нагара и смолисто-лаковых пленок, которые образуются в результате высокотемпературного окисления топлива и масла. Фаза роста - увеличение �