CC BY
24транспортом // Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России. - 2016. - № 3. - С. 2832.
12. Федотов С.Б. Научная проблема востребованности специальных пожарно-спасательных машин, приспособленных к работе в высокогорных условиях // Материалы XXIX Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГБУ ВНИИПО МЧС России. В 2-х частях. - Балашиха: Изд-во ВНИИПО МЧС России, 2017. - С. 536-538.
13. Polkowski Artur. Wszystko o Kolei Transsyberyjskiej z Rosji do Mongolii // Witryna «No More Map». - URL:
L.L.C.
http://nomoremaps.com/1115/kolej-transsyberyjska-z-rosji-do-mongolii/. - (Data odwolania - 24.08.2018).
14. The new Rail Policy in Mongolia. Press Release of Aspire Mining Limited // Site «Wegh Group. Italian Excelltnce for Railway Industry». - URL: https://www.weghgroup.com/ru/ru-the-new-rail-pol-icy-in-mongolia/. - (Date of access - 24.08.2018).
15. Eight injured after train with 328 passengers derails in Mongolia // Site CGTN. - URL: https://news.cgtn.com/news/3d3d514f304d444e79457 a6333566d54/ share_ p.html. - (Date of access -24.08.2018).
Dragomirov S. G.
doctor of engineering, professor, Vladimir State University, Russia Dragomirov M.S. candidate of technical Sciences "STC "AutoSphere" at Vladimir State University", Russia
Eydel P.Ig.
engineer,
L.L.C. "STC "AutoSphere" at Vladimir State University", Russia
Gamayunov A. Y.
Engineer,
LLC "STC "AutoSphere" at Vladimir State University", Russia
THE NATURE AND CHARACTERISTICS OF THE IMPURITIES IN COOLING SYSTEMS OF
VEHICLE ENGINES
Драгомиров Сергей Григорьевич
доктор технических наук, профессор кафедры двигателей Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, Россия Драгомиров Михаил Сергеевич кандидат технических наук,
ООО «НТЦ «АвтоСфера» при ВлГУ», Россия Эйдель Павел Игоревич инженер
ООО «НТЦ «АвтоСфера» при ВлГУ», Россия Гамаюнов Антон Юрьевич
инженер
ООО «НТЦ «АвтоСфера» при ВлГУ», Россия
ПРИРОДА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Summary. The article discusses the sources and nature of contamination of coolant and engine cooling systems in General. 3 essentially possible ways of formation/receipt of impurity in the cooling system are analyzed. The estimation of each of these ways is given. The nature of contamination and the mechanism of formation of individual contaminants in the cavity of the cooling system are described. The data on the chemical and fractional composition of contaminants are presented. The conclusion is made about the dangerous influence of impurity on the operation of engines.
Аннотация. В статье рассматриваются источники и характеристики загрязнения охлаждающей жидкости и систем охлаждения двигателей в целом. Проанализированы 3 принципиально возможных пути образования/поступления загрязнений в систему охлаждения. Дана оценка каждого из этих путей. Описана природа загрязнений и механизм образования отдельных загрязнений в полости системы охлаждения. Приведены данные по химическому и фракционному составу загрязнений. Сделан вывод об опасном влиянии загрязнений на работу двигателей.
Keywords: motor autotransport engines, coolant, impurity, nature of impurity, chemical composition, fractional composition.
! !■
50 Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #5(45), 2019 SMI Ключевые слова: автотранспортные двигатели, охлаждающая жидкость, загрязнения, природа загрязнений, химический состав, фракционный состав.
Постановка проблемы
Критически острой проблемой в области систем жидкостного охлаждения автотранспортных поршневых двигателей является загрязнение охлаждающей жидкости (ОЖ) и всей системы в целом. Эта проблема существует с момента появления систем жидкостного охлаждения (СЖО). К сожалению, она до сих пор радикально не решена в современной науке и практике автоиндустрии, т.к. применяемые до настоящего времени технологии и устройства очистки ОЖ в процессе эксплуатации двигателей не соответствуют современным требованиям.
Между тем, непрерывно возрастающая структурная и конструктивная сложность современных СЖО [1,2] при одновременном повышении требований к их надежности и теплоотводящей функции в процессе непрерывного форсирования двигателей, обуславливают повышенные требования к чистоте ОЖ и системы охлаждения.
Анализ данных эксплуатации автотранспортной техники показывает, что от 25 до 40 % неисправностей и отказов двигателей приходится на СЖО [3,4]. Чаще всего неполадки в системе охлаждения появляются уже после 150...200 тыс. км пробега автомобиля. У тракторных двигателей и двигателей тяжелых грузовиков (а также автобусов), работающих обычно с 70.85% нагрузкой, из-за более тяжелых условий работы неполадки могут возникнуть уже после 500.700 часов эксплуатации.
К основным неисправностям СЖО относятся различные течи, разрушение прокладок и сальников, ошибки в срабатывании термостатов и датчиков, закупоривание проточных каналов радиаторов, блоков и головок цилиндров. В условиях эксплуатации в системе охлаждения и ее элементах протекают процессы кавитационной эрозии и химической коррозии, появляются отложения на теплопе-редающих поверхностях (накипь), образуются продукты разложения и выработки антифризов. Все это приводит к ухудшению передачи тепла от нагретых деталей двигателя в системе охлаждения, что может вызвать его перегрев и снижение энергетических показателей, а также значительно повышает риск выхода двигателя из строя.
Все указанные проблемы СЖО при эксплуатации автомобильных и тракторных двигателей в значительной степени обусловлены наличием в ОЖ загрязнений различной природы.
Анализ последних исследований и публикаций
Зарубежные исследования [3,5,6] (в России такие исследования не проводились) состава загрязнений антифриза выявили, что в них входят:
• продукты химической коррозии и кавитационной эрозии металлов;
• масляные и жировые отложения;
• частицы песка, грязи, силиконовых гер-метиков;
• продукты разложения антифриза (гели) и отработанных присадок;
• частицы накипи;
• фрагменты разрушившихся уплотни-тельных элементов.
Применение абсолютно чистой охлаждающей жидкости в СЖО транспортных двигателей практически невозможно, потому, что всегда будут существовать производственно-технологические и эксплуатационные условия, способствующие образованию загрязнений. Принципиально возможны только три пути появления загрязнений в ОЖ, в соответствии с которыми сами источники загрязнений можно классифицировать на [7]:
1. производственно-технологические (образуются в процессе производства двигателей);
2. внешние эксплуатационные, вносимые в СЖО извне в процессе работы;
3. внутренние эксплуатационные, образующиеся в СЖО в процессе работы.
Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы
На сегодняшний день найдено эффективное, простое и надежное решение проблемы очистки ОЖ [8], однако открытым остается вопрос о природе и характере загрязнений, образующихся в СЖО автотранспортных поршневых двигателей.
Выявление характера загрязнений и определение природы их происхождения являются важной информацией для создания эффективной технологии предотвращения загрязнений или очистки ОЖ в процессе эксплуатации двигателей.
Нами опытным путем установлено, что первый источник вносит пренебрежимо малую долю загрязнений, т.к. в процессе производства двигателей предпринимается целый ряд специальных технологических мер, направленных на очистку деталей и узлов двигателей от загрязнений (металлических опилок и стружки, окалины, грязи, формовочного песка и т.п.). Для этого используется виброочистка блоков цилиндров и головок, мойка деталей с применением поверхностно-активных веществ, продувка каналов и полостей сжатым воздухом и др.). В связи с этим этот источник загрязнений СЖО можно обоснованно считать малозначащим.
Второй источник - внешние эксплуатационные загрязнения, попадающие в СЖО в процессе работы - полностью зависит от культуры эксплуатации автомобильной техники. При должной культуре внешние загрязнения, попадающие в СЖО при эксплуатации, также можно свести к минимуму.
Таким образом, наибольший интерес для анализа представляет третий источник загрязнения системы - образование (генерация) различных загрязнений внутри самой СЖО в процессе эксплуатации двигателя.
Цель статьи
Целью статьи является изложение результатов исследований по определению природы и химического состава загрязнений охлаждающей жидкости автотранспортных двигателей, образующихся в процессе эксплуатации в полости системы охлаждения.
Изложение основного материала
Наши исследования показывают, что внутри самой СЖО образуются загрязнения различной природы и характера, источниками которых являются следующие процессы.
Химическая коррозия металлических (как черных, так и цветных металлов) элементов СЖО является одним из наиболее существенных источников загрязнений системы [9-11].
Химическая коррозия - это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окисли-
тельного компонента среды протекают единовременно в одном акте. Продукты взаимодействия пространственно не разделены.
Электрохимическая коррозия - это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (раствором электролита), при которой ионизация атомов металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала.
По характеру изменения поверхности металла или сплава различают несколько видов коррозионных разрушений [10-12]: сплошная равномерная или неравномерная, структурно-избирательная, пятнами, язвами, точками (питтинговая), подповерхностная, межкристальная.
Практически большинство их этих видов коррозии обнаружено нами при исследовании СЖО в эксплуатационных условиях (рис.1).
Рис. 1. Коррозионные отложения на элементах СЖО
Кавитационная эрозия - известный процесс разрушение металла, обусловленный ударным воздействием внешней жидкой среды [13]. В СЖО двигателей кавитация протекает в ходе образования и «схлопывания» пузырьков пара в жидкости, находящейся в состоянии, близком к кипению. В момент «схлопывания», давление и температура газа достигают значительных величин (по некоторым данным до 100 МПа и 1000 °С). После «схлопыва-ния» полости в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве и сопровождающаяся отрывом частичек металла от поверхности детали.
Кавитационной эрозии могут подвергаться как черные металлы (сталь, чугун), так и алюминиевые сплавы [12]. Пластиковые элементы СЖО более стойки к кавитационной эрозии.
Причинами, обусловливающими кавитацион-ную эрозию в СЖО, может быть перегрев ОЖ, образование зон разрежения в потоках, вибрация отдельных элементов (например, так называемой «мокрой» гильзы цилиндра) и др.
Нами обнаружены серьезные последствия ка-витационной эрозии в СЖО автотранспортных двигателей (рис.2).
Кавитационная эрозия может быть предотвращена или снижена путем исключения условий для образования кавитационных явлений, подбором материалов, хорошо противостоящих кавитации, использованием специальных покрытий, специальными химическими добавками в ОЖ для снижения кавитации (типа зарубежных присадок SCA (Borate-Nitrite) и DCA-4 (Phosphate-molybdate)).
Рис. 2. Последствия кавитационной эрозии в элементах СЖО
Следует отметить, что загрязненная жидкость более склонна к проявлению кавитационных явлений, т.к. мелкие твердые частички загрязнений становятся центрами возникновения кавитационных пузырьков [13]. Таким образом, с повышением загрязнения ОЖ вероятность возникновения кавитационных явлений существенно возрастает.
Масляные и жировые отложения могут возникнуть в СЖО при попадании моторного масла в ОЖ. Это может произойти при разрушении прокладок, при ослаблении затяжки прокладок и т.п.
Продукты разложения антифриза и отработанных присадок могут появиться как результат старения антифриза или при использовании некачественного антифриза.
Старение антифриза и его разложение с образованием характерного осадка является естественным процессом [14]. Для предотвращения последствий старения антифриза необходима его регулярная замена и постоянный контроль его состояния в процессе эксплуатации.
Часто в эксплуатации можно столкнуться с некачественным антифризом, в состав которого входят такие недопустимые компоненты, как глицерин и метиловый спирт. В этом случае антифриз, кроме своего быстрого разложения и превращения в бурую жидкость повышенной вязкости, может вызвать разъедание деталей СЖО из алюминиевых сплавов.
Образование накипи является характерным процессом для СЖО автотранспортных двигателей. Физико-химические процессы образования накипи можно разделить на 2 стадии:
- возникновение первичных зародышей микрокристаллов в твердой фазе;
- процесс роста зародышей, результатом которого является образование плотных отложений.
Вероятность образования накипи при применении современных антифризов целиком и полностью определяется качеством воды, входящей в состав антифриза. При использовании дистиллированной воды хорошего качества образование накипи можно свести к нулю.
Разрушение уплотнительных элементов может происходить из-за их старения в условиях тяжелой эксплуатации. В этом случае возможно как нарушение герметичности внутренних каналов в двигателе, так и попадание фрагментов этих элементов в СЖО.
На рис. 3 в качестве примера показан элемент термостата с разрушимся уплотнительным элементом.
Результаты эксплуатационных испытания разработанного нами гидроциклонного фильтра-сепаратора позволили непосредственно установить фракционный и химический состав загрязнений в СЖО городских автобусов (MAN, Mercedes).
Кроме источников образования загрязнений внутри СЖО, представляет интерес их фракционный и химический состав.
Для фракционного анализа загрязнений использовался комплект лабораторных сит (7 штук) производства ООО «Вибротехник», г. Санкт-Петербург. Все сита имели диаметр 128 мм и высоту 37,5 мм. Просеивающая поверхность сетки нормальной точности в соответствии с ГОСТ 6613-86 (ТУ-14-4-167-91). Размер ячеек сит составлял от 1500 до 50 мкм.
Далее каждая из фракций эксплуатационных загрязнений подвергалась химическому анализу с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра последовательного анализа ARLADVANT'X (Thermo Scientific (США), № 38436-08 в Государ-
ственном реестре средств измерений). Эти исследования проводились в Центре «Функциональные наноматериалы» кафедры «Литейные процессы и конструкционные материалы» Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых.
В процессе исследований было обработано 10 проб из разных фильтров (в каждой пробе представлены все фракции с размером частиц от 50 до 1500 мкм). Результаты химического анализа сведены в обобщающую таблицу.
Следует отметить, что у различных объектов испытаний (автобусов) нет большого различия в химическом составе загрязнений (за редким исключением), что свидетельствует о некоторых внутренних закономерностях образования загрязнений в близких условиях у сходных объектов.
Таблица
Обобщенные данные по относительному химическому составу твердых частиц загрязне-_ний, содержащихся в антифризе_
Размер частиц по группам, мкм Доля отдельных химических элементов, % (масс.)
Fe Pb Si Sn Zn AI Ca Cu Mg
> 1500 15,9-20,0 14,0-18,0 14,4-19,9 6,0-14,1 8,6-18,0 7,4-9,6 2,4-5,9 5,5-10,8 1,8-2,5
1000.1500 20,2-21,5 16,1-27,8 10,5-19,3 9,8-11,1 7,4-12,2 3,3-7,8 2,1-6,7 5,3-8,1 0,96-3,1
700.1000 21,2-25,4 12,7-15,7 18,1-19,4 2,5-8,7 7,2-10,6 7,7-12,8 5,5-6,2 5,1-9,1 2,4-2,9
450.700 29,8-38,3 9,6-12,1 17,6-20,1 1,6-2,2 5,2-12,1 7,4-8,7 5,3-5,7 4,5-8,8 2,4-3,0
250.450 33,8-47,1 7,7-12,1 19,1-24,0 0,9-1,3 3,4-11,9 5,7-6,9 3,4-4,2 3,3-7,3 2,0-2,5
100.250 25,7-44,2 7,9-9,5 29,8-31,1 0,56-0,8 2,5-5,9 5,1-7,7 3,1-9,2 2,8-4,5 1,4-2,7
50.100 16,0-33,2 5,5-7,1 31,7-36,7 0,26-0,35 2,9-3,4 7,0-8,8 8,1-17,1 2,8-3,5 2,8-4,1
< 50 13,7-21,8 5,0-5,8 35,2-36,4 0,22-0,30 2,9-3,2 8,4-9,3 13,2-19,3 3,2-3,7 4,0-4,3
Примечание: кроме указанных химических элементов в твердых загрязнениях присутствуют на уровне менее 1,0% (масс.) такие химические элементы, как калий К, натрий титан ^, фосфор P, сера S, хром ^, молибден Mo, хлор О, иридий ^, никель М, марганец Mn и др. Незначительное содержание этих элементов можно считать фоновым и не принимать во внимание.
Нельзя не заметить значительного количества частиц железа среди загрязнений - от 13,7 до 47,1%. Особенно много частиц Fe в группах 450 .750 мкм, 250.450 мкм, 100.250 мкм, 50.100 мкм. То есть это довольно крупные частицы с размерами 700 .50 мкм. Природа их появления в антифризе -кавитационные и коррозионные разрушения гильз цилиндров двигателей и других деталей из черных металлов.
Кроме этого обращает на себя внимание значительное количество кремния Si (песка) в общей массе загрязнений - от 14,4 до 36,7%. Наличие песка в антифризе может быть объяснено как производственно-технологическими причинами его попадания в рубашку двигателя (при его изготовлении), так и внешним путем внесения вследствие невысокой культуры эксплуатации техники.
Наличие в загрязнениях частиц свинца Pb и олова Sn объясняется содержанием этих элементов в припое, которым пропаиваются радиаторы двигателя и отопителя. Таким же путем может попадать и цинк Zn в состав загрязнений.
Появление частиц алюминия Al является следствием кавитационной эрозии деталей двигателя из алюминиевых сплавов.
Частицы кальция Ca входят в состав накипи, отлагающейся на стенках системы охлаждения двигателя при использовании некачественного антифриза.
Частицы меди ^ и магния Mg могут содержаться как в припое, используемом при сборке радиатора, так и в других элементах двигателя.
Обобщенно анализируя состав загрязнений, можно отметить, что наиболее опасными и присутствующие в значительных количествах являются частицы железа Fe и кремния Si. То есть, по сути, антифриз представляет собой своеобразный раствор абразива, действующего на внутреннюю поверхность различных радиаторов, сальник насоса, крыльчатку, клапан термостата и др. Это воздействие может быть весьма опасным и приводить к выходу элементов двигателя из строя.
Выводы и предложения
1. Обобщенной причиной появления загрязнений различной природы в СЖО является физико-химическое взаимодействие ОЖ (антифриза) с различными элементами и разнородными материалами системы охлаждения.
2. Применение абсолютно чистой охлаждающей жидкости в СЖО автотранспортных двигателей практически невозможно, потому, что всегда будут существовать эксплуатационные условия, способствующие образованию загрязнений.
3. Суспензия антифриза с твердыми частицами загрязнений представляет собой по сути абразив, действующий на внутреннюю поверхность элементов системы охлаждения, что может быть весьма опасным и приводить к выходу этих элементов из строя. В связи с этим в составе автотранспортных средств должны быть использованы высокоэффективные фильтры охлаждающей жидкости, удаляющие эти загрязнения из потока.
Список литературы
1. Системы охлаждения поршневых ДВС: монография / И.Е. Иванов и др. - М.: МАДИ, 2015. - 168 с.
2. Системы охлаждения тракторных и автомобильных двигателей. Конструкция, теория, проектирование /А.И. Якубович и др. - Минск: Новое знание; М.: ИНФРА-М, 2014. - 473 с.
3. Руководство по продуктам для системы охлаждения. - Cummins Filtration, 2009. - 8 с.
4. Engine cooling. - Behr Hella Service GmbH., 2008, 52 pp.
5. Engine Liquid Filtration. - Minneapolis: Donaldson Company Inc., 2014, 156 pp.
6. Eaton E.R., Duvnjak E. Examinations of Extended Life Heavy Duty Engine Coolant Filters // SAE Pap. 2004-01-0157. 10 pp.
7. Драгомиров С.Г. и др. Высокоэффективная фильтрация охлаждающей жидкости - новое пер-
УДК 621.317
спективное направление совершенствования транспортных двигателей. - Разработка и производство двигателей и других агрегатов и систем с применением информационных технологий. - М.: Издат. Дом «Научная библиотека», 2015. - 315 с.
8. Патент РФ на изобретение № 2625891 «Гидроциклонное устройство для очистки от твердых частиц загрязнений охлаждающей жидкости поршневых двигателей // Драгомиров С.Г., Драгомиров М.С., Эйдель П.И., Гамаюнов А.Ю., Селиванов Н.М. - 2017. - 10 с.
9. Борисов Г.А., Маслова Л.А. Повышение коррозионной стойкости конструктивных материалов системы охлаждения автотракторных двигателей / Г.А. Борисов, Л.А.Маслова // Вестник Рязанского государственного агро-технического университета. - 2011. - №2(10). - С.51-56
10. Ярославцева О.В. Коррозия и защита металлов / О. В. Ярославцева, Т. Н. Останина, В. М. Рудой, И. Б. Мурашова // Екатеринбург: Изд-во Уральского федерального ун-та, 2015. - 90 с.
11. Лазуткина О. Р. Химическое сопротивление и защита от коррозии
/О. Р. Лазуткина// - Екатеринбург: Изд-во Урал. федерального ун-та, 2014. - 140 с.
12. Семенова И.В. и др. Коррозия и защита от коррозии /И.В. Семенова, Г.М. Флорианович, А.В. Хорошилов// - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 416 с.
13. Смородов Е.А. и др. Физика и химия кавитации / Е.А Смородов., Р.Н. Галиахметов, М.А. Ильгамов//- М.: Наука, 2008. — 208 с.
14. Наглюк М.И. и др. Уточнение сроков смена антифризов при эксплуатации/ М.И.Наглюк и др.//Мiжвузiвський збiрник «Науковi нотатки». -Луцьк, 2014. - Вип № 45. - С.371-375
ЕрмаковВ.Ф., ВласовМ.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ В АВТОТРАНСФОРМАТОРЕ НА
РАЙОННОЙ ПОДСТАНЦИИ А-20
Аннотация. В статье выполнено исследование переходных тепловых процессов автотрансформатора АТДЦТН-125/220/110 в процессе его эксплуатации при известном суточном графике нагрузки.
Ключевые слова: автотрансформатор, максимальная температура, наиболее нагретая точка обмотки, загрузка автотрансформатора.
Актуальность темы статьи обусловлена значительными погрешностями используемых в настоящее время методов определения расчетной мощности нагрузки [1 - 11], разнообразием конструкций силовых трансформаторов [12, 13], а также протекающих в них тепловых процессов [14, 15].
Расчетная математическая модель, позволяющая исследовать тепловые процессы в кабеле, разработана профессором Брагиным С.М. [15], она описывается дифференциальным уравнением нагрева первого порядка. В [16] эта модель адаптирована для выбора номинальной мощности любого силового оборудования. Используем эту модель для исследования тепловых процессов в обмотке
трансформатора (возможность такого применения проверена экспериментально [17])
d0
г —+ 0 = (0 -0П )•
1, \ ном 0/
dt
iit)
+ 0 ;(1)
окр 'V >
где 0 - температура наиболее нагретой точки обмотки трансформатора;
©ном Г номинальная длительно допустимая температура изоляции;
©окр ~1 температура окружающей среды; т - постоянная времени нагрева обмотки; 1(1) - ток нагрузки в момент времени t: /ном J номинальный ток трансформатора. В качестве исходных данных в настоящей статье использован суточный график нагрузки микрорайона г. Азов Ростовской области. Потребители
2
