CC BY
91
Использование машины в качестве генерато- Необходимость использования искусственной
ра. Для использования машины в качестве гене- коммутации вентилей связана с компенсацией
ратора необходимо иметь систему преобразова- реактивной мощности генератора и увеличения
ния, адаптирующую выходные характеристики выходной мощности до уровня 5 М Вт (в режиме
генератора под требования, предъявляемые к элек- естественной коммутации максимальная мощ-
тросетям. В таком случае в состав генераторной ность, отдаваемая генератором, составляет око-
установки будут входить: шестифазный генера- ло 3,7 МВт).
тор с возбуждением от постоянных магнитов; си- Система управления, входящая в состав система преобразования; система управления. стемы преобразования, обеспечивает стабилиза-Параметры генераторной установки: цию выходного напряжения на заданном уров-
Номинальная мощность. кВт.........................5000 не' а также защитУ генератора и системы
Номинальное напряжение. В.........................3300 преобразования при нештатных режимах рабо-
Номинальный ток фазы ты оборудования комплекса.
(действующее значение), А............................870
Частота тока, Гц....................................................50 В статье представлена высокооборотная элек-
КПД в номинальном режиме..........не менее 0,93 трическая машина с возбуждением от постоян-
Упрощенная принципиальная схема генера- ных магнитов мощностью 5000 кВт и частотой
торной установки приведена нарис. 7. Как видно вращения 8000 об/мин. Примененные в ней пер-
из этой схемы, система питания состоит из двух спективные конструктивные решения позволи-
включенных последовательно каналов преобразо- ли обеспечить частоту вращения ротора на уров-
вания, каждый из которых подключен к соответ- не 8000 об/мин и получить удельные показатели
ствующим обмоткам генератора, соединенным машины, превосходящие существующие анало-
в трехфазную звезду. Наличие шести фаз генера- ги основе асинхронных и синхронных машин,
тора позволяет реализовать 12-типульсную схему Результаты проведенныхрасчетов подтвердили
выпрямления, что снижает пульсациютока нагруз- реализуемость данного проекта наоснове существу-
ки (улучшает качество выходной электроэнергии), ющихтехнологий. Однако применение ряда новых
Питание от генератора к нагрузке подается конструктивных решений в части обеспечения
через 12-типульсный управляемый выпрямитель прочности ротора и системы охлаждения статора
со звеном искусственной коммутации вентилей, требует предварительной отработки на макетах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Евразийский патент № 014511. Электриче- 2. Евразийский патент № 014510. Высокообо-
ская машина / ОАО «НПО «Русский Электропри- ротный ротор с постоянными магнитами / ОАО
вод»,— Приоритет от 07.04.2010 г. «НПО «Русский Электропривод»,— Приоритет от
22.03.2010 г.
УДК 631.43
Ю.В. Галышев, А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев, А.А. Метелев
МЕТОДИКА УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ НА ИЗМЕНЕНИЕ ИХ СВОЙСТВ В ТЕЧЕНИЕ СРОКА ЭКСПЛУАТАЦИИ
Современные требования к смазочным материалам, выдвигаемые крупнейшими автопроизводителями и отраженные в системах допусков к применению масел, базируются на шести основных критериях — энергосбережении, за-
щите от износа, совместимости с системами подавления токсичности автомобиля, окислительной стабильности, уровне высоко- и низкотемпературных отложений. Практически все эти критерии связаны с ресурсными характеристи-
ками моторного масла и характером изменения его свойств в течение всего срока службы.
Современные моторные масла на синтетической основе имеют средний срок службы, заявленный их производителями, порядка 15 тысяч километров пробега, или около 400 моточасов в пересчете на режимы работы городского автомобиля. Однако уже сейчас некоторые производители моторных масел заявляют ресурс в 30 тысяч километров, или 800 моточасов.
Очевидно, что натурные испытания на подтверждение ресурса для подобных моторных масел — крайне ресурсоемки, дорогостоящи и длительны. Поэтому актуальна задача разработки методики ускоренных ресурсных испытаний моторных масел, основная цель которых — это получение характеристик, определяющих вышеуказанные шесть критериев качества современного моторного масла.
Такая методика была разработана и апробирована в ходе испытаний двух десятков моторных масел разных видов на кафедре двигателей внутреннего сгорания СПбГПУ.
Методика включает в себя программу проведения испытания моторного масла, состоящую из 120-тичасового теста, разделенного на 20 идентичных циклов работы двигателя. Испытание в пределах цикла — непрерывное, за исключением остановок на обслуживание и отбор проб масла на анализ. Во время работы через 1,45,90, 120 моточасов испытаний производится отбор проб масла на анализ в соответствии с существующими стандартами.
Режимы работы двигателя в пределах цикла испытаний подбирались исходя из условия: средние нагрузки на детали цилиндропоршне-вой группы и кривошипно-шатунного механизма, температур теплонапряженных деталей и масла в поддоне должны быть эквиваленты реально действующим на условном городском цикле эксплуатации автомобиля [4]. Применение современных методов математического моделирования позволяет корректировать выбор этих режимов в зависимости от индивидуальных особенностей двигателя и условий его эксплуатации.
Для апробации методики и проведения длительных испытаний масел была создана установка, состоящая из натурного двигателя, укомплектованного штатными системами и установленного на раму. Исходя из соображений распространенно-
сти на российском рынке, а также эквивалентности степени нагруженности узлов трения наиболее массовых типов автомобильных двигателей в качестве объекта испытаний был выбран бензиновый инжекторный двигатель ВАЗ 2111 (44 8.2/7.1) с рабочим объемом V= 1500 см3.
Двигатель для испытаний готовится специальным образом, чтобы искусственно увеличить скорость старения масла. Для этого увеличены тепловые зазоры в замках поршневых колец при сохранении штатных зазоров в подшипниках коленчатого вала. Повышена температура охлаждающей жидкости до 105-107 "С для увеличения температуры масла в зоне поршневых колец. Установлены форсунки охлаждения поршней для увеличения общей температуры масла и лучшего определения образования высокотемпературных отложений. Также повышена степень сжатия до 8 = 11, что увеличивает нагрузку на детали двигателя [ 1 ].
Анализ физико-химических параметров отобранных образцов моторных масел проводится по группе параметров с использованием известных методов:
Наименование Метод физико-химического параметра определения Кинематическая вязкость
при 40 и 100 °С ГОСТ 33 Кинематическая вязкость
при 150 °С Метод СПбГПУ
Индекс вязкости ГОСТ 25371
Щелочное число ГОСТ 11362 Температура вспышки
в открытом тигле ГОСТ 4333
Кислотное число ASTM D 664 Содержание активных
элементов (Zn, Са, Р) МВИ М-049-М/99
Содержание серы ASTM D 4294
Контроль скорости образования низкотемпературных отложений проводится по изменению массы контрольных весовых элементов, установленных в клапанной крышке и поддоне двигателя. Уровень высокотемпературных отложений проводился визуально с использованием аналога метода ПЗВ, а также количественно — по изменению массы впускных и выпускных клапанов и свечей зажигания.
Контроль скорости износа проводится по изменению массы поршневых колец и вклады-
шеи подшипников коленчатого вала, а также по накоплению продуктов износа (механических примесей) в моторном масле.
Оценка энергосберегающих функций испытуемого моторного масла проводится по моторным показателям (удельный расход топлива и расход топлива на режиме холостого хода) определенным в ходе стендовых испытаний эталонного двигателя, в сравнении с аналогичными параметрами, замеренными при работе на базовом масле. За базовое масло принято минеральное масло группы 15W-40 группы качества по API SJ/CD. Кроме того, сопоставляются величины моментов механических потерь двигателя при работе на испытуемом и базовом масле, измеренные методом прокрутки от стенда.
Оценка энергосберегающих функций проводится на двух стадиях испытания — в начале цикла, на свежем масле, и по окончании испытаний.
Для оценки степени ресурсного изменения параметров моторного масла вводилась система ограничений, выход за которые приравнивался к окончанию его срока службы.
В качестве таких ограничений принимались: пределы изменения кинематической вязкости при 100 °С, соответствующие классам вязкости по SAE;
снижение щелочного числа более чем в два раза по отношению к начальному значению;
снижение содержания активных компонент в масле ( Zn, Р, Са) более чем в два раза от начального уровня.
При апробации предложенной методики были проведены ускоренные ресурсные испытания двенадцати полусинтетических и синтетических моторных масел различных производителей и различных групп качества по API и АСЕА.
Ниже приведены некоторые результаты проведенных испытаний. На рис. 1 и 2 можно видеть данные по динамике изменения кинематической вязкости при 100 °С и щелочного числа четырех образцов полусинтетических моторных масел различных фирм. Все масла имели группу вязкости по SAE 10W-40 и группу качества по API SL/CF.
Как видно из приведенных результатов, все масла, за исключением образца №1, имеют общий характер изменения вязкостных свойств по мере наработки в двигателе. Сначала наблюдается участок падения вязкости, очевидно, объясняемый постепенным срабатыванием пакета загущающих присадок. После этого происходит кратковременная стабилизация вязкости, после чего она начинает расти. Последнее объясняется накоплением в масле продуктов окисления
Кинематическая вязкость, сСт
100 Длительность испытаний, моточас
Рис. 1. Изменение кинематической вязкости при 100 °С образцов полусинтетических моторных масел по мере их наработки в двигателе (масла: —■--№ 1; —•--№ 2; —— № 3; —▼--№ 4)
Рис. 2. Изменение щелочного числа образцов полусинтетических моторных масел по мере их наработки в двигателе (масла: —■--№ 1; —•--№ 2; —а— — № 3; —▼--№ 4)
и полимеризации. Из общей картины выпадает образец масла №1, где во всех контрольных пробах наблюдалось постепенное нарастание вязкости. Дальнейшее исследование образца, проведенное совместно с лабораторией фирмы-производителя этого масла, выявило его фальсифицированный характер.
Образец масла №4 показал резкое падение вязкости на начальном участке работы, что характеризует недостаточное качество использованных загущающих присадок. Образцы масел №2 и №3 иллюстрируют нормальную работу масел этой группы качества.
В данном случае эти примеры были приведены для иллюстрации работы системы браковочных параметров. Образцы №1 и №4 были забракованы в связи с ускоренным выходом измеренных величин кинематической вязкости за пороговые значения, определяемые заявленным классом вязкости по 8АЕ.
Изменение щелочного числа моторных масел более прогнозируемо (рис. 2) — наблюдается четко выраженная тенденция их снижения по мере наработки масла.
Полученные результаты показывают достаточно монотонный характер зависимостей кинематической вязкости, щелочного и кислотного числа от времени наработки моторного масла в двигателе. Это позволяет аппроксимировать
эти зависимости в виде полиномиальных кривых третьего порядка:
vm=a0+a[t + a%+4>
ЩЧ = Ь0+Ь^ + + ¿I; КЧ = с0 +c\t + c\ +cf,
где v100, ЩЧ, КЧ — соответственно кинематическая вязкость, щелочное и кислотное число на заданном временном участке испытаний; ai9 bi9 сi — коэффициенты аппроксимации, которые определяются эмпирически по итогам длительных моторных испытаний.
Полученные зависимости позволяют аппроксимировать зависимости по основным физико-химическим параметрам моторных масел вплоть до достижения ими ресурсных пределов и тем самым определять сравнительный срок службы относительно базового масла.
Следующий пример иллюстрирует результаты испытаний синтетических моторных масел разных групп качества по API. В испытаниях приняли участие по два моторных масла группы качества SL и SM одного класса вязкости по SAE 5W-40. Некоторые результаты испытаний сведены в табл. 1.
Анализируя полученные данные, следует отметить значимость изменений большинства
Таблица 1
Физико-химические показатели испытуемых моторных масел
Значения параметра для четырех образцов масел
двух групп качества
Параметр масла Группа SL Группа SM
Масло №1 Масло N°2 Масло N°3 Масло N°4
Кинематическая вязкость при 40 °С, сСт 81,0/94,4 83,7/106,7 84,4/105,5 80,1/96,5
Кинематическая вязкость при 100 °С, сСт 14,1/15,6 14,3/17,0 14,6/16,4 13,8/14,4
Кинематическая вязкость при 150 °С, сСт 6,24/6,79 6,06/6,97 6,06/6,92 5,79/6,45
Индекс вязкости 180/176 177/174 196/182 170/154
Условная температура проворачиваемости к/вала, Т5(1(1(1, °С (расчет) —24/—21 —24/—20 —26/—21 —23/—21
Щелочное число, мг КОН/г масла 7,10/6,14 7,30/6,20 8,40/7,70 6,45/6,02
Общее кислотное число, мг КОН/г масла 1,82/2,73 1,90/2,77 1,91/2,30 1,21/2,23
Температура вспышки в открытом тигле, °С 236/238 223/225 227/228 232/234
Содержание железа, ррм 15,5 12,0 3,5 4,5
Содержание алюминия, ррм 214,2 184,3 48,9 55,6
Содержание хрома, ррм 7,2 9,8 4,5 5,2
* В числителе находятся показатели, определенные в пробах масла после начальной приработки (6 моточасов), в знаменателе — в итоговых пробах (120 моточасов)
физико-химических показателей испытуемых масел. В частности, уровень вязкости у всех масел во всем диапазоне температур существенно возрос (до 10-15 %), индекс вязкости упал на 2— 8 %, что говорит о накоплении в маслах продуктов окислительной полимеризации. Кроме того, щелочные свойства масел уменьшились на 5— 15 %, а кислотность возросла до 2-2,5 раз.
Следует отметить, что содержание продуктов износа в конечных пробах существенно меньше
у масел группы БМ. По остальным показателям для масел групп БМ и БЬ получены сопоставимые результаты.
Износ деталей двигателя и накопления отложений измерялся путем их взвешивания до и после эксперимента. Данные, полученные путем взвешивания вкладышей подшипников коленчатого вала и поршневых колец (табл. 2), позволяют сделать выводы о ресурсосберегающих свойствах масел.
Таблица 2
Данные весового анализа контрольных деталей
Значения параметра для четырех образцов масел
Параметр (потеря массы) двух групп качества
Группа SL Группа SM
Масло N° 1 Масло N»2 Масло N»3 Масло N»4
Усредненный износ коренных подшипников коленчатого вала, мг 35,4 28,3 18,4 19,9
Усредненный износ шатунных подшипников коленчатого вала, мг 43,2 34,6 26,6 22,4
Усредненный износ первых поршневых колец, мг 6,5 6,9 3,4 3,9
Усредненный износ вторых поршневых колец, мг 8,3 7,5 5,2 5,3
Наилучшие показатели в данном случае имеют масла группы S М, что выражается в меньших скоростях износа узлов трения. Крометого, более высокое значение высокотемпературной вязкости масла №3 дает большее снижение скоростей износа сопряжений трения как в ЦП Г, так и в подшипниках коленчатого вала. Это же подтверждается самым малым содержанием металлических продуктов износа в конечных пробах масла.
Массы отложений, представленные ниже в табл. 3, на контрольных элементах (маслоотражатель в клапанной крышке и маслозаборник маслонасоса) также меньше при работе двигателя на маслах группы SM (21—31 мг) по сравнению с маслами группы SL (46—64 мг).
Таким образом, разработанная методика обеспечивает получение достоверной сравнительной информации по ресурсным изменениям моторных масел, а также по всем группам их показателей, используемых при проведении испытаний на допуск моторного масла к применению на тех или иных типах двигателей.
СПИСОК /
1. Метелев, A.A. Разработка методики и создание установки для проведения ресурсных испытаний моторных масел [Текст] / A.A. Метелев, А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев // XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: материалы междунар. научной конф. Ч. III.— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009.— С. 5—7.
2. Метелев, A.A. Методика и результаты ресурсных испыт // XXV Междунар. научно-техн. конф. «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей», посвящ. 300-летию Царского Села. СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2010,- С. 113-123.
3. Метелев, A.A. О влиянии времени работы мотор-
Таблица 3
Измеренные массы отложений на контрольных весовых элементах в клапанной крышке и масляном поддоне
Расположение контрольного весового элемента Значения отложений для четырех образцов масел двух групп качества
Группа SL Группа SM
Масло №1 Масло №2 Масло №3 Масло №4
В клапанной 58 46 24 21
крышке
В масляном 64 52 28 31
поддоне
В перспективе планируется установка на стендовые двигатели штатных систем подавления токсичности, что позволит оценивать также совместимость моторных масел с ними по уровню снижения эффективности гашения отдельных токсических компонент при длительной работе двигателя на испытуемом моторном масле.
ного масла в двигателе на изменение его физико-химических показателей [Текст] / A.A. Метелев, А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: Матер, междунар. научно-практ. конф., Ч. III.— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010,— С. 8—10.
4. Метелев, A.A. Расчетное обоснование режима работы стендового двигателя при проведении ресурсных испытаний энергосберегающих моторных масел [Текст] / A.A. Метелев, А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев // ХХХХ Неделя науки СПбГПУ: Матер, междунар. научно-практ. конф., 4.1 II,— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011.-С. 5-7.
УДК 621.22 623.3 620.91 622.63
Ю.С.Васильев, Г.И.Сидоренко, В.В.Фролов
МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАЛЫХ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Во многом энергетическая безопасность в современных условиях формируется на региональном уровне. Степень обеспеченности регионов собственными топливно-энергетическими
ресурсами — один из основных показателей восприимчивости регионов к угрозам энергетической безопасности. Освоение и использование местных энергетических ресурсов (гидроэнерге-
