Реализация принципов теории размерностей и математического анализа в разработке и оценке способов контроля герметичности цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.43.019.22

Д.М. Воронин, А.А. Долгушин, А. Ф. Курносов

РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПОВ ТЕОРИИ РАЗМЕРНОСТЕЙ

И МАТЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА В РАЗРАБОТКЕ И ОЦЕНКЕ СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Обоснована целесообразность реализации теории размерности в исследованиях по формированию функциональных связей диагностических параметров и параметров состояния. Контроль состояния ци-линдро-поршневой группы (ЦПГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по расходу картерных газов требует введения уточняющих признаков в связи с особенностями закономерностей расхода воздуха от величины неплотностей. По результатам математического анализа уравнений подтверждено предположение о наличии экстремального значения функции. Установлено, что характер изменения функции выпуклый, при этом не исключает несоответствия заключительного диагноза фактическому состоянию ЦПГ (малый расход при больших неплотностях). Установлено, что исключение ошибочного диагноза при контроле состояния ЦПГ по расходу картерных газов при работе двигателя в пусковом режиме без подачи топлива требует введения дополнительных параметров контроля. В качестве одного из них может быть использована регламентированная по типу основного двигателя частота вращения коленчатого вала.

Ключевые слова: техническое состояние, параметр состояния, расход газов, размерность, экстремум.

Введение

Разработка способов контроля технического состояния объекта требует знания закономерностей изменения диагностического параметра и взаимосвязей его с изменением параметров состояния.

Наличие многокритериальных связей, отсутствие обобщающих уравнений их взаимодействия обусловливают определенные трудности на начальном этапе исследо-ваний.

Объекты и методы исследования

В качестве примера можно взять решение задачи оценки технического состояния цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Результаты исследований в этом направлении [1; 2] носят частный характер, взаимосвязи получены при фиксированных значениях всех параметров, кроме одного, и получены экспериментальным путем. Представляет интерес и, на наш взгляд, определенную научную значимость предварительная разработка уравнения, отражающего на качественном

© Воронин Д.М., Долгушин А.А., Курносов А.Ф., 2016

уровне связи параметров. Рассмотрим решение поставленной задачи с применением теории размерностей. Требуется найти уравнение связи давления конца сжатия в цилиндре ДВС в зависимости от параметров состояния системы. Достаточно жестким требованием реализации функциональности связи в виде математического выражения является полное представление всех факторов, определяющих искомую величину и их размерность. В соответствии с положениями теории размерности представим взаимосвязь диагностического параметра с параметрами состояния в общем виде:

Рс = f(p,m, s, )¡ , (1)

где Рс - давление конца сжатия в цилиндре, МПа; р — плотность воздушного заряда, кг/м3; со - частота вращения коленчатого вала, мин-1; s - величина неплотностей в сопряжении «поршень - гильза»; ) - кинематическая вязкость масла, находящегося в зазоре «поршень - гильза», м2/с.

Результаты исследований. В соответствии с положениями теории размерностей запишем выражение (1) в виде суммы произведений членов степенной функции:

Рс = apa • сС • sc )d, (2)

где а - коэффициент пропорциональности; а b' c d - степень каждого из сомножителей выражения.

С учетом размерностей входящих величин: |Рс| — MLlT 2; \р\ — ML3; — Т

— LL2; — II2T 1 и решения уравнений, составленных с учетом размерностей, получаем уравнение для давления конца сжатия:

Рс = ap •С • sb—1 •)2~b. (3)

В связи с тем, что количество неизвестных превышает количество уравнений значение степени b может быть определено экспериментально при фиксировании всех параметров, кроме одного, либо на основе результатов ранее проведенных исследований. С точки зрения физических закономерностей изменения параметров состояния, значение b должно находиться в диапазоне 0 < b < 1. Справедливость принятого подтверждается результатами исследований [3; 4].

Выражение, аналогичное (3), может быть получено для температуры конца сжатия Тс. В теории двигателей внутреннего сгорания параметры рабочих процессов представлены в виде

Pc = Pasn; (4)

Tc = Tasn—1, (5)

где Po - давление воздуха в цилиндре при нахождении поршня в нижней мертвой точке, МПа; To - температура воздуха в цилиндре при нахождении поршня в нижней мертвой точке, К; е - степень сжатия; n - показатель политропы сжатия.

Поделив Рс на Тс и проведя преобразования, получим:

T

a

Р_

T = Р • ~T~ •SX . (6)

a

С учетом уравнения (3) выражение (6) можно представить в виде:

гт b b—1 2—b Ta —1

Tc=a^pc •s •) •-a. (7)

Ра

С использованием теории размерностей и полученного уравнения (3) может быть преобразовано классическое выражение для расхода воздуха на выходе из системы (выпускная магистраль двигателя внутреннего сгорания, расход картерных газов):

О = 0,1^ 2 ^ -АР, (8)

где <Р - коэффициент истечения; ^ - площадь отверстия (для нашего случая величина относительной неплотности сопряжений ЦПГ), м2; g - ускорение свободного падения, м/с-2; АР - давление газов в цилиндре двигателя, МПа.

Для ДВС на тактах «сжатия», «расширение» в формуле (8) необходимо учитывать при определении расхода воздуха функциональную связь давления газов в цилиндре с величиной относительной неплотности ЦПГ, т.е.:

АР = (9)

Решение этой задачи возможно путем представления произведения членов системной функции, кроме величины относительной неплотности, в виде:

А = а - р - соь - /и 2~ь. (10)

В этом случае уравнения давления конца сжатия и расхода воздуха через неплотности ЦПГ запишутся в виде:

Рс = А - Бь-1; (11)

Ь+1

О = В - Б 2, (12)

где В = 0,1у[А-у .

Выражения (11) и (12) реализованы при оценке эффективности по разрешающей способности способа оценки технического состояния цилиндро -поршневой группы двигателя внутреннего сгорания и по разности расхода воздуха на впуске и выпуске при работе двигателя на пусковом режиме без подачи топлива [5].

Оценка осуществляется путем сопоставления относительных значений диагностических параметров при изменении параметров состояния. Взяв за основу значение величины неплотностей ЦПГ в диапазоне от (базовое значение) до (текущее значение) для сравниваемых способов контроля, имеем:

по разности расхода воздуха на впуске и выпуске:

Прв =(Ба/Б, уг; (13)

- по давлению конца сжатия:

Пж =(Ба/Б, Г; (14)

- по отношению диагностических параметров:

3Ь-1

П ( Б Л ~ рв - Б . (15)

П

V Бо;

По результатам экспериментальных исследований значение Ь находится в пределах 0,5-0,80. С учетом этого из анализа уравнения (15) следует, что отношение диагностических параметров больше единицы. То есть с позиции разрешающей способности способ контроля состояния ЦПГ по расходу воздуха при работе двигателя в пусковом режиме предпочтительнее.

Уравнения для определения расхода воздуха (5) (12) не имеют достаточной определенности в оценке состояния ЦПГ, так как теоретически исключают возможность малых расходов при больших неплотностях. В формуле (8) отсутствует функциональная связь давления газов в цилиндре от величины неплотностей и, следовательно, условия для анализа. В формуле (12) нет ограничений на увеличение расхода воздуха через неисправности с увеличением неплотностей. Вместе с тем, не лишен смысла, на наш взгляд, вопрос о возможном пределе роста расхода воздуха с увеличением величины неплотностей ЦПГ.

В общем случае для решения задачи достаточно иметь дифференцируемую функцию связи величины давления газов в цилиндре с величиной неплотностей.

Для этой цели представим давление газов цилиндре в виде двух составляющих:

Рц = Ро -АРЦ , (16)

где р - давление газов в цилиндре при фактической неплотности, 10-2 МПа; Р0 - давление газов в цилиндре, регламентируемое производителем для ЦПГ номинального технического состояния, 10-2 МПа; АР - потери давления в цилиндре на тактах «сжа-

_2

тие» - «расширение», 10-2 МПа.

С учетом результатов исследований [3; 4] изменение величины потерь давления от величины неплотностей может быть представлено в виде:

АРс = аSп, (17)

где с и п - постоянные для данного вида сопряжений ЦПГ, положительные с позиции физического смысла.

С учетом выражений (16) и (17) уравнение расхода воздуха (8) принимает вид, удовлетворяющий требованиям возможности дифференцирования функции:

От = - aSп). (18)

Производная функции (18):

дд Ь (Ро - 0,5аБ" (2 + ")) (19)

дБ 4ро - аБ" '

где Ь =

имеет решение при реальном соответствии физического смысла условию

^Ро - а Б" > 0. (20)

Действительно, случай (Ра - аБ") < 0 противоречит сущности физического процесса «сжатия» воздуха в цилиндре при работе двигателя в пусковом режиме. Случай ( Р - аБ") = 0 противоречит условиям работоспособности двигателя.

Формулы экстремальных значений величин неплотностей и расхода картерных газов имеют вид

Б э =

Р

Р (21)

а(1 + 0,5и)

егэ = ф"

где индекс «э» - экстремум.

Ро 2g■Po-0^, (22)

а(1 + 0,5") V 0 1 + 0,5и

"

Результаты исследований

Показаны возможность и целесообразность реализации принципов теории размерностей в научных исследованиях в области теории ДВС и технической диагностики. Особое место это направление занимает на начальном этапе исследований, когда обосновывается выбор параметров экспериментальных исследований при неизвестных закономерностях их взаимодействия.

По результатам математического анализа уравнений (18), (19) подтверждено предположение о наличии экстремального значения функции Q = f (S).

Характер изменения функции выпуклый, что не исключает несоответствие заключительного диагноза фактическому состоянию ЦПГ (малый расход при больших неплотностях).

Исключение ошибочного диагноза при контроле состояния ЦПГ по расходу кар-терных газов при работе двигателя в пусковом режиме без подачи топлива требует введения дополнительных параметров контроля. В качестве одного из них может быть использована регламентированная по типу основного двигателя частота вращения коленчатого вала [5].

D.M. Voronin, A.A. Dolgushin, A.F. Kurnosov

The implementation of the principles of the theory of dimensions and mathematical analysis in the development and evaluation of methods of control of tightness of the cylinder-piston group of internal combustion engines

The expediency of realization of the theory of dimension in research on the formation of functional linkages of diagnostic parameters and status parameters. Controls the state of the cylinder-piston group (tspg) internal combustion engine (ice) flow of blow-by gas requires the introduction of the clarifying signs in connection with the peculiarities of the patterns of air flow and the size of the leaks. According to the results of mathematical analysis of the equations confirmed the assumption that the extreme values of the function. It is established that the nature of the change function is convex, it does not preclude the discrepancy between the final diagnosis of the actual state of Chu (small flow rate for large leaks). It is established that the exclusion of erroneous diagnosis in the control of the state of Chu in the flow of crankcase gases during engine operation in the starting mode without fuel supply requires the introduction of additional control parameters. As one of them can be used is regulated according to the type of main engine frequency of rotation of the crankshaft.

Keywords: technical condition, parameter condition, the gas flow rate, the dimension, extremum.

Список литературы

1. Герш Г.И. Эксплуатация тракторов в зимних условиях / Г.И. Герш, И.С. Белоусов. -М. : Россельхозиздат, 1968. - С. 10.

2. Зверев П.Ю. Влияние вязкости смазочного масла на экономические показатели судовых дизелей с изношенными деталями ЦПГ : авто-роеф. дис. ... канд. техн. наук / П.Ю. Зверев. -Новосибирск, 2004. - С. 7.

3. Воронин Д.М. Контроль технического сосотояния цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания по расходу воздуха / Д.М. Воронин, А.А. Малышко, А.Ю. Понизов-ский // Машино-технологическое, энергетическое и сервисное обеспечение сельхозпредпринимате-лей Сибири : материалы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. столетию со дня рождения акад. ВАСХНИЛ А.И. Селиванова. - Новосибирск, 2008. - С. 117-119.

References

1. Gersh G.I. Jekspluatacija traktorov v zim-nih usloviiah / G.I. Gersh, I.S. Belousov. - M. : Ros-sel'hozizdat, 1968. - S. 10.

2. Zverev P.Ju. Vlijanie vjazkosti smazo-chnogo masla na jekonomicheskie pokazateli su-dovyh dizelej s iznoshennymi detaljami CPG : avtoroef. dis. ... kand. tehn. nauk / P.Ju. Zverev. -Novosibirsk, 2004. - S. 7.

3. Voronin D.M. Kontrol' tehnicheskogo sosotojanija cilindro-porshnevoj gruppy dvigatelja vnutrennego sgoranija po rashodu vozduha / D.M. Voronin, A.A. Malyshko, A.Ju. Ponizovskij // Mashino-tehnologicheskoe, jenergeticheskoe i ser-visnoe obespechenie sel'hozpredprinimatelej Sibiri : materialy mezhdunar. nauch.-prakt. konf., posvjashh. stoletiju so dnja rozhdenija akad. VASHNIL A.I. Selivanova. - Novosibirsk, 2008. -S. 117-119.

4. Понизовский А.Ю. Оценка технического состояния цилиндро-поршневой группы автотракторных дизелей по расходу воздуха на впуске и выпуске в пусковом режиме : автореф. дис. ... канд. техн. наук / А.Ю. Понизовский. - Новосибирск, 2010. - С. 14-16.

5. Гюнтер Г. Диагностика дизельных двигателей / Г. Гюнтер. - М. : За рулем, 2004. -С. 28-29.

Воронин Дмитрий Максимович, д-р техн. наук, проф., Новосибирский ГАУ; Долгушин Алексей Александрович, канд. техн. наук, доц., Новосибирский ГАУ, dolgushin07@rambler.ru; Курносов Антон Федорович, канд. техн. наук, доц., Новосибирский ГАУ, anton_kurnosov @таЛ.ги.

4. Ponizovskij A.Ju. Ocenka tehnicheskogo sostojanija cilindro-porshnevoj gruppy avtotraktor-nyh dizelej po rashodu vozduha na vpuske i vypuske v puskovom rezhime : avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk / A.Ju. Ponizovskij. - Novosibirsk, 2010. -S. 14-16.

5. Gjunter G. Diagnostika dizel'nyh dviga-telej / G. Gjunter. - M. : Za rulem, 2004. -S. 28-29.

Voronin Dmitry Maksimovich, Dr. Techn. Sci., Prof., Novosibirsk SAU; Dolgushin Alexei Alexandrovich, Cand. Techn. Sci., Ass. Prof., Novosibirsk SAU, dolgushin07@rambler.ru; Kurnosov Anton Fedorovich, Cand. Techn. Sci., Ass. Prof., Novosibirsk SAU, anton_kurnosov@mail.ru.

УДК 629.014.7

А.А. Долгушин, Д.М. Воронин

МЕТОДИКА ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ

Большое количество предложений новых автомобилей на рынке значительно усложняет процесс выбора и покупки. В условиях сельскохозяйственного производства перевозка грузов может осуществляться при различных сочетаниях внешних факторов. Совокупное воздействие климатических факторов, дорожных условий в значительной степени обусловливает эффективность эксплуатации конкретного автомобиля. Поэтому при выборе транспортного средства возникает необходимость в предварительной оценке возможной эффективности эксплуатации в заданных условиях. В данной статье изложен подход к интегральной оценке эффективности эксплуатации грузовых автомобилей. За основу приняты экономические, технические и экологические критерии оценки эффективности эксплуатации. Изложена методика расчета интегрального показателя эффективности эксплуатации. Реализация предложенной методики позволит осуществить рациональный выбор транспортного средства для конкретных условий хозяйства с целью обеспечения минимальных затрат на эксплуатацию. На основании полученной информации можно разработать ряд мероприятий по повышению эффективности автопарка, в т.ч. выбрать рациональные режимы использования автопарка в заданных условиях. Кроме того, данная методика будет полезна производителям автомобилей для совершенствования конструкции основных агрегатов и узлов.

Ключевые слова: эффективность эксплуатации, критерии эффективности, интегральный показатель.

Введение

Интенсивные темпы автомобилизации в стране, смена сложившегося возрастного и качественного состава парков требуют научного обоснования решения проблем по эффективной эксплуатации подвижного состава.

© Долгушин А.А., Воронин Д.М., 2016