автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных показателей двигателей семейства УМЗ путем введения трибохимического восстановителя в смазочную систему

Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва

На правах рукописи

Сафаров Рамис Камильевич

УДК 621.43:631372 (043.3)

Улучшение эксплуатационных показателей двигателей семейства УМЗ путём введения трибохимического восстановителя в

смазочную систему

Специальность: 05.20.03 - Эксплуатация, восстановление и ремонт

сельскохозяйственной техники

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор А.В.Николаенко Научный консультант -кандидат технических наук, доцент А.П.Кожевников

Саранск 1999

Условные сокращения и обозначения, термины

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

КПД - коэффициент полезного действия;

ММ - моторное масло;

СС - смазочная система;

ТХВ - трибохимический восстановитель;

ТЩР - труднорастворимый щелочной реагент;

г - текущее время работы масла, ч;

С0 - начальное значение щелочного числа масла, мгКОН/г;

Уст0 - начальная скорость поступления щёлочности от трибохимического

восстановителя, мгКОН/ч; Утд - скорость расходования щёлочности на нейтрализацию и диспергирование

продуктов сгорания топлива, мгКОН/ч; Ум0 - начальная скорость расходования щёлочности на нейтрализацию продуктов окисления масла, мгКОН/ч; а - коэффициент, выражающий долю щёлочности, расходуемой с угаром масла; q -скорость угара (долива) масла, кг/ч; в - масса масла в системе двигателя, кг;

(3 =цЛЗ - интенсивность угара масла, 1/ч;

у - коэффициент, учитывающий текущий кислотный потенциал масла и интенсивность долива масла; ц - коэффициент, характеризующий интенсивность поступления щёлочности от

устройства ввода трибохимического восстановителя, 1/ч; Депрессатор - вещество, снижающее кинематическую вязкость рабочей среды в

условиях низкой температуры; Детергент - вещество, обеспечивающее моющее действие; Дисперсант - вещество, обеспечивающее дисперсию (расщепление на молекулярном уровне) включений.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение..............................................................................................6

1. Состояние вопроса и задачи исследования...............................................9

1.1. Влияние качества моторного масла на эксплуатационные показатели

двигателей.................................................................................9

1.1. Процесс старения моторного масла.................................................11

1.1. Работоспособность и срок службы моторного масла............................16

1.1. Влияние эксплуатационных режимов работы автомобиля на изменение свойств работающего моторного масла..............................................19

1.5. Методы повышения качества моторного масла....................................20

1.6. Влияние трибохимических восстановителей на эксплуатационные показатели двигателей.................................................................27

1.6. Цель и задачи исследования.......................................................... 3 0

2. Разработка математической модели процесса накопления и срабатывания щёлочности моторного масла и усовершенствованной смазочной системы................32

2.1. Выбор метода расчётно-теоретического обоснования периодичности восстановления щелочного числа моторного масла................................32

2.2. Моделирование динамики щёлочности моторного масла при вводе

в него трибохимических восстановителей с периодическим восстановлением заряда..................................................................................36

2.2.1. Основные закономерности процесса накопления и срабатывания щёлочности........................................................................36

2.2.2. Оценки основных параметров модели динамики щёлочности масла..42

2.2.3. Изменение щёлочности моторного масла при периодическом восстановлении заряда трибохимического восстановителя..............43

2.2.4. Расход щёлочности по статьям баланса......................................46

2.3. Разработка усовершенствованной смазочной системы двигателей семейства УМЗ и методики обслуживания устройства ввода трибохимического восстановителя........................................................................................49

2.3.1 .Разработка усовершенствованной смазочной системы

двигателей семейства УМЗ................................................49

2.3.2. Методика обслуживания устройства для поддержания постоянно действующего трибохимического режима................................55

3. Методика экспериментальных исследований........................................57

3.1. Общая методика исследований......................................................57

3.2. Методика исследований в условиях стендовых испытаний...................58

3.3. Методика исследований в условиях эксплуатационных испытаний.........62

3.4. Оценочные параметры................................................................66

3.4.1. Измеряемые оценочные параметры.........................................66

3.4.2. Параметры, определяемые при проведении физико-химического анализа проб моторного масла................................................66

3.4.3. Расчетные параметры..........................................................67

3.5.Алгоритм расчета параметров математической модели динамики щелочного числа моторного масла при вводе трибохимического восстановителя с периодическим восстановлением заряда......................................69

3.6.Методика прогнозирования ресурса соединений двигателя.....................73

3.7.Экспериментальная установка и применяемая аппаратура.......................75

3.8. Оценка погрешностей измерений....................................................78

4. Результаты исследований.....................................................................81

4.1. Исследование эксплуатационных показателей двигателей при вводе в систему смазки трибохимических восстановителей в условиях стендовых испытаний.............................................................................81

4.1.1 .Аппроксимация экспериментальных зависимостей динамики

щелочного числа и проверка адекватности разработанной модели.....81

4Л.2.Топливо-экономические, мощностные и косвенные износные

показатели работы двигателей...................................................84

4.2'. Исследование эксплуатационных показателей двигателей при вводе

в систему смазки трибохимических восстановителей в условиях эксплуатационных испытаний..................................................................97

4.2.1. Исследование расхода моторного масла....................................97

4.2.2. Исследование токсичности отработавших газов........................116

4.2.3. Исследование износных показателей двигателя с усовершенствованной смазочной системой.............................................................120

4. Экономическая эффективность от применения усовершенствованной

смазочной системы..........................................................................126

Общие выводы....................................................................................133

Литература.........................................................................................135

Приложения.......................................................................................151

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей задачей при производстве и эксплуатации энергетических установок машин является снижение абсолютного объёма потребляемых ими горючесмазочных материалов, повышение надёжности в условиях эксплуатации, улучшение их экономических показателей и снижение затрат на техническое обслуживание. При этом необходимо достичь перспективного уровня по эффективному удельному расходу топлива и расходу масла; должен быть увеличен ресурс авто -тракторных двигателей при повышении их безотказности. Предусмотрено также широкое развёртывание работ по практическому использованию в энергетических установках альтернативных топлив всех видов и топлив ухудшенного качества нефтяного происхождения. Большое внимание уделяется конструктивному совершенствованию узлов, агрегатов и систем двигателей, снижению их металлоёмкости, улучшению их экологических показателей, снижению шумности и вибраций [170].

В настоящее время автомобильный парк машин является одним из основных средств транспортных перевозок в народном хозяйстве страны. На его долю к концу 1996 г. пришлось около 29% всего объёма перевозок по стране [109].

В связи с повышением требований к экономичности, мощностным показателям, экологичности работы автомобилей и потребительским качествам конструкции автомобилей приобретают сегодня тенденцию всё большего усложнения. Немаловажную роль в удовлетворении этих требований имеет улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания.

Смазочная система автомобильного двигателя является одной из основных систем, от эффективности работы которой в значительной степени зависят как надёжная работа ДВС, так и затраты на его эксплуатацию [105].

Кроме того, экономичность, ресурс, надёжность и конкурентоспособность двигателей внутреннего сгорания в значительной степени определяются уровнем эксплуатационных свойств применяемого моторного масла [122].

Известно, что для моторных масел, применяемых в современных и перспективных ДВС, наиболее выгодным способом повышения их качества, отвечающим современным требованиям, является легирование их специальными присадками. Известные присадки имеют три наиболее существенных недостатка. Во-первых, при создании масел для высоконагруженных двигателей в масло приходится вводить значительное количество (до 30%) присадок [15, 32, 33, 39, 75, 101]; во-вторых, эти присадки достаточно быстро срабатываются в первые часы работы двигателя и весьма значительную часть времени двигатель эксплуатируется с маслом, не содержащим оптимальное количество присадок; в-третьих, их количество уменьшается при длительном хранении ввиду их выпадания в осадок, это вызывает необходимость создания смазочных композиций с определённым запасом присадок. Повышение же запаса количества присадок может в отдельных случаях привести к ухудшению свойств моторного масла. Также известно, что существующие присадки имеют высокую стоимость (стоимость некоторых присадок в десятки раз превышает стоимость базовых масел) [31, 76, 87].

Существенный вклад в решение проблемы улучшения эксплуатационных показателей двигателей и повышения качества моторных масел внесли такие видные учёные, как: Николаенко A.B., Ждановский Н.С.,Черножуков Н.И., Крейн С.Э., JIo-сиков Б.В., Полканов И.П., Ленивцев Г.А., Гончаренко Н.Г., Рабинович А.Ш., Ле-зин П.П., Литвиненко А.Н., Папок К.К., Виппер А.Б., Венцель C.B., Итинская Н.И., Григорьев М.А., Лышко Г.П.и др. В последние годы в связи с ростом энергонасыщенности ДВС значительно повысились требования к качеству моторного масла. Вместе с тем возрастание энерговооружённости народного хозяйства предполагает повышение уровня потребления топлив и масел, что в свою очередь ставит вопрос о повышении эффективности их использования.

Важно учитывать, что экономия топливо-смазочных материалов должна осуществляться путём научно обоснованного подхода, методами, прежде всего не снижающими ресурс двигателей и не ухудшающими экологичность их работы. Рациональное применение моторных масел должно быть основано на правильном выборе марки применяемого масла, своевременном контроле его качества, обосно-

ванных методах его использования и хранения, восстановления эксплуатационных свойств в процессе реальной эксплуатации. Актуальность этих вопросов и необходимость их широкого применения подтверждает практика эксплуатации [101].

На сегодняшний день проведён ряд исследований, направленных на повышение качества масла и продление срока его службы путём непрерывного ввода три-бохимических реагентов в смазочную систему в процессе эксплуатации двигателей [41, 91, 105, 121, 123, 136, 137, 174, 176, 177]. Важным следствием повышения качества моторного масла в данных работах является повышение как топливо-экономических, так и надёжностных и экологических показателей двигателей.

Эффективность трибохимических восстановителей достаточно полно исследована применительно к смазочным системам дизелей и в меньшей степени применительно к смазочным системам двигателей лёгкого топлива. В настоящее время карбюраторные двигатели семейства УМЗ имеют широкое применение в народном хозяйстве Российской Федерации. Исследования изменения эксплуатационных показателей этих двигателей при введении трибохимического восстановителя в смазочную систему до настоящего момента не проводились.

1.Состояние вопроса и задачи исследований

1.1. Влияние качества моторного масла на эксплуатационные показатели двигателей

На эксплуатационные показатели ДВС кроме конструкционных параметров, качества конструкционных материалов и применяемого топлива, условий эксплуатации и т.д. значительное влияние оказывает качество применяемого моторного масла [ 32, 33, 35, 101].

Качество ММ оценивается совокупностью таких важнейших свойств, как: вязкостные, противокоррозионные, противоизносные, моющие-диспергирующие свойства, термоокислительная стабильность. Каждое из этих свойств по своему влияет на качество ММ и в конечном счёте - на эксплуатационные показатели

две.

Вязкость масла значительно влияет на режим смазки основных групп трения, в связи с чем существует жёсткий диапазон этого показателя для каждого типа и даже марки ДВС [35, 100]. Отклонение этого показателя за пределы допустимого влечёт за собой снижение механического КПД(за счёт увеличения потерь мощности на трение), повышенный расход топлива и масла, нарушение режима смазки и, как следствие, - повышенный износ деталей, уменьшение ресурса двигателя [35, 100].

Вязкость ММ должна быть минимальной, но достаточной для создания жидкостного трения. Вязкость определяет также низкотемпературные свойства масла, то есть способность обеспечивать лёгкий пуск двигателя при низких температурах окружающей среды и надёжную подачу масла из картера к коренным и шатунным подшипникам в период пуска и прогрева двигателя. То есть важным показателем качества ММ является также вязкостно-температурное свойство, оцениваемое индексом вязкости.

В наибольшей степени на такие эксплуатационные показатели, как: эффективный удельный расход топлива, КПД, эффективная мощность, - влияют противоизносные свойства ММ, характеризующие его способность предотвращать или

уменьшать износ сопряжённых трущихся деталей. Наряду с оговорёнными выше вязкостными свойствами в значительной степени это свойство определяет также характер полярно-активных веществ применяемого ММ и наличие в нём механических примесей, особенно - абразивных.

Все моторные масла в большей или меньшей степени склонны к различным видам отложений. Повышение нагаро-лаковых отложений влечёт за собой снижение надёжности двигателя, ухудшая тепловой режим, увеличивая вероятность возникновения детонации, нарушая подачу масла к деталям из-за забивания шламами фильтров и маслопроводов. Способность ММ противостоять этому процессу носит название термоокислительной стабильности [100]. Следует также отметить, что все виды отложений имеют в себе серу, количество которой зависит от содержания её в применяемом топливе и масле. Частицы нагара, получаемые при сжигании сернистого топлива характеризуются высокой твёрдостью (до НВ500), что позволяет утверждать об абразивном характере износа трущихся деталей [ 32, 33, 35, 101].

Моюще-диспергирующая способность масла позволяет предотвращать накопление отложений на деталях двигателя и диспергировать нерастворимые продукты окисления.

Важным показателем качества ММ является его коррозионность, характеризующая вид и интенсивность электрохимических реакций, вызывающих вынос ионов металлов с поверхности деталей. Этот эффект носит название коррозионного износа. « Коррозия деталей отрицательно сказывается на работе двигателя; она приводит к снижению его надёжности и долговечности, иногда к аварийному состоянию» [ 101].

В совокупности все перечисленные свойства ММ должны удовлетворять условиям его работы в ДВС, обеспечивая при этом условия для максимально эффективных эксплуатационных показателей двигателя.

1.2.Процесс старения моторного масла

В процессе эксплуатации ДВС моторное масло, работая при высокой температуре (до 600 К и более) и давлении (до 10 Мпа и более), соприкасается с возду-

и

хом и продуктами неполного сгорания топлива, с конденсированными парами воды, с нанесённой в двигатель пылью, с металлическими поверхностями деталей и продуктами их износа. Помимо этого при эксплуатации автомобилей значительно меняется температура окружающего воздуха, его влажность и запылённость, что в значительной степени отражается на изменении теплового состояния двигателя и условиях работы масла. В результате ММ претерпевает сложный комплекс физико-химических изменений, известный как «старение масла» [13, 101, 136].

Старение масла в двигателе - это сложный, ещё недостаточно изученный комплекс физических и химических процессов, на скорость которых влияет большое множество различных факторов. Процессы, входящие в этот комплекс ввиду их тесной взаимосвязи невозможно абсолютно дифференцировать. Однако для исследования основных закономерностей изменения состояния масла и в особенности для изучения количественных зависимостей все процессы, происходящие в масле, можно разделить на более простые, отображающие наиболее характерные режимы работы масла в двигателе ( таблица 1.1).

�