CC BY
22
УДК 621.431
РЕЗУЛЬТАТЫ МОТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДВИГАТЕЛЯ УМЗ-417 С БИМЕТАЛЛИЗИРОВАННЫМИ ГИЛЬЗАМИ ЦИЛИНДРОВ
Д. А. Уханов, доктор техн. наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. (8412) 62-85-17;
И. Р. Салахутдинов, инженер; А. Л. Хохлов, канд. техн. наук, доцент; А. А. Глущенко, канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», е-таИ: [email protected]
Технико-экономические показатели карбюраторного двигателя выше, если ниже потери на трение в сопряжении «поршень - гильза». Для снижения указанных потерь предлагается использовать биметаллизированные гильзы цилиндров, на рабочей поверхности которых выполнены замкнутые кольцевые канавки, заполненные медью.
Сравнительные моторные исследования показали, что двигатель с биметаллизиро-ванными гильзами цилиндров имеет лучшие мощностные, топливно-экономические и экологические показатели по сравнению с двигателем, оснащенным типовыми гильзами.
Ключевые слова: двигатель, моторные исследования, гильза цилиндров, биметал-лизация, показатели.
Эффективные показатели двигателя тем выше, чем совершеннее теплоиспользова-ние и ниже механические потери и, в частности, потери на трение. Чем меньше работа, затраченная на трение, тем большее количество теплоты от сгорания топлива идет на совершенствование полезной работы [1, 2]. Одним из способов снижения потерь на трение в сопряжении «поршень - гильза» является нанесение на рабочую поверхность гильзы материала, имеющего меньшее сопротивление сдвигу [3-5]. Такие гильзы принято называть биметаллизированными.
Для сравнительной оценки мощностных, топливно-экономических и экологических показателей карбюраторного двигателя, оснащенного типовыми и биметаллизиро-ванными гильзами, скомплектована экспериментальная моторная установка (рис. 1), включающая двигатель УМЗ-417 с системой отвода отработавших газов, динамометрическую машину КИ-5543 со штатны-
ми контрольно-измерительными приборами (весовое устройство тормоза, тахометр, датчик давления масла) и измерительно-регистрирующий комплекс (рис. 2).
Рис. 1. Общий вид экспериментальной моторной установки: 1 - двигатель; 2 - динамометрическая машина; 3 - система отвода отработавших газов
п р! вмт дмрв
СО СО2 СН
Газоанализатор
г 1 г 1 Г
t ч ^вг tож
АЦП ЛА-1,5 РС1
Мультиметр М-890в
Рис. 2. Измерительно-регистрирующий комплекс
р
Р, МПа
3,5
3
2,5 2
1,5 1
0,5 0
pjLdti ~ii jteii^ikr1
¿¿is.
Р, МПа
3,5
3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
1
\
/ 1 f\
f \ 4л J- j_] kt
180 360 540 720 900 1080 1260 1440
ф, град. п.к.в.
а
0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440
ф, град. п.к.в.
б
Рис. 3. Индикаторные диаграммы двигателя, оснащенного типовыми (а) и биметаллизированными (б) гильзами
В состав комплекса входят измерители температуры (тестер - мультиметр М 890G) окружающего воздуха, охлаждающей жидкости, моторного масла в главной масляной магистрали, выхлопных газов, расходомер топлива и воздуха, датчики (ВМТ, отметок зубьев маховика, давления газов, массового расхода воздуха, разряжения, температуры охлаждающей жидкости и масла), аналого-цифровой преобразователь ЛА-1,5PCI, персональный компьютер на базе Pentium-III с монитором «SAMSUNG», стабилизирующий блок питания, газоанализатор Инфрокар М1 01.
Моторные исследования проводились по ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний» [6].
В процессе исследований осуществлялись замеры следующих параметров: частоты вращения коленчатого вала (л), нагрузки на тормозе (Рт), массовых расходов топлива (Gm) и воздуха (Ое), температур воздуха (te) и охлаждающей жидкости (tox), давления масла (Рм), содержание в отработавших газах оксида углерода (СО) и углеводородов (СН).
На двигатель после испытаний с типовыми гильзами устанавливали аналогичный комплект (гильза - поршень - поршневые кольца) цилиндропоршневой группы номинального размера, гильзы которой были биметаллизированы. Биметаллиза-ция гильз осуществлялась вставками меди по замкнутым кольцевым канавкам, расположенным в три ряда под углом 17° к диаметральной плоскости гильзы, причем средний ряд развернут на 90° относительно верхнего и нижнего рядов [7-9].
Двигатель после монтажа на него как типовых, так и биметаллизированных гильз проходил технологическую обкатку в тече-
ние 3 ч на режимах, сооьветствующих техническим требованиям на капитальный ремонт [10-12].
Согласно инструкции завода-изготовителя ОАО «Ульяновский моторный завод» И37.316.272-2003 двигатель, оснащенный типовыми и биметаллизированными гильзами, работал 35 часов на одних и тех же нагрузочно-скоростных режимах [13]. При этом температура охлаждающей жидкости и моторного масла в главной магистрали соответствовала 85...90 °С, а давление в смазочной системе двигателя 0,3.0,4 МПа.
В конце испытаний снимались индикаторные диаграммы, определялись технико-экономические и экологические показатели двигателя [14-16].
На рис. 3 представлена индикаторная диаграмма двигателя, оснащённого типовыми и биметаллизированными гильзами, при частоте вращения коленчатого вала
800 мин-1.
Аналогичные индикаторные диаграммы снимались при различной частоте вращения в диапазоне от 800 до 4200 мин -1 с интервалом 200 мин -1.
Анализ диаграмм показывает, что у двигателя, оснащённого биметаллизиро-ванными гильзами, максимальное давление газов в конце сгорания на 2.5 % выше, чем у двигателя, оснащенного типовыми гильзами.
По полученным данным были построены скоростные (рис. 4) и нагрузочные (рис. 5) характеристики двигателя, оснащённого типовыми и биметаллизированными гильзами цилиндров.
Анализ скоростных характеристик показывает, что наблюдается рост эффективной мощности двигателя (N), оснащенного би-металлизированными гильзами во всем диапазоне скоростного режима. Так, при ча-
0
Нива Поволжья № 4 (21) ноябрь 2011 67
стоте вращения коленчатого вала 4200 мин-1 мощность Ке=67,2 кВт, тогда как у двигателя, оснащенного типовыми гильзами, Ке = 64 кВт. Максимальный крутящий момент (Мк) при частоте вращения 2500 мин-1 составил 176,4 Н • м у двигателя с биметал-лизированными гильзами и 169 Н • м у двигателя с типовыми гильзами. Удельный эффективный расход топлива (де) на номинальной частоте вращения 4200 мин-1 у двигателя с биметаллизированными гильзами снизился на 6,8 % и составил 303,3 г/кВт• ч , тогда как у двигателя с типовыми
а) эффективная мощность (N)
гильзами он равен 321 г/кВт• ч . Часовой расход топлива (в т) составил 20,4 кг/ч у двигателя с биметаллизированными гильзами и 20,8 кг/ч у двигателя с типовыми гильзами.
Показатели нагрузочной характеристики двигателя определяли при частоте вращения коленчатого вала 2500 мин-1, так как эта частота соответствует максимальному крутящему моменту по внешней скоростной характеристике и рекомендована заводом-изготовителем при снятии контрольных точек.
б) крутящий момент ( Мк)
в) удельный эффективный г) часовой расход топлива ( вт)
расход топлива (ge)
♦ - типовая гильза; ■ - биметаллизированная гильза
Рис. 4. Скоростная характеристика двигателя, оснащенного типовыми и биметаллизированными гильзами
От, кг/ч 14 K2 10 8 6 4 2 0
0 10 20 30 40 N0, кВт
а) часовой расход топлива (вт)
ge, гМЗт-ч 700 600 500 400 300 200 100 0
0 10 20 30 40 Ne, К^т
б) удельный эффективный расход топлива ( ge)
СО, % 2,5 2 1,5 1
0,5
10
20
30
40
в) оксид углерода (СО)
СН, % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
-?-
1=
—^ J—
л— 1 i
—N —
кВт
10
20
30
40
Ne, кВт
г) углеводороды (СН)
♦ - типовая гильза; ■ - биметаллизированная гильза
Рис. 5. Нагрузочная характеристика двигателя, оснащенного типовыми и биметаллизированными гильзами
Анализ нагрузочных характеристик показывает, что часовой расход топлива на режиме малых нагрузок у двигателя с биметаллизированными гильзами составил 3,7 кг/ч при минимальной мощности 5 кВт и оборотах 2500 мин-1 против 3,8 кг/ч у двигателя с типовыми гильзами. Удельный эффективный расход на том же режиме составил соответственно 729 и 735 г/кВт• ч. Наблюдается и разное содержание оксида углерода (СО) и углеводородов (СН) в отработавших газах. У двигателя, оснащенного биметаллизированными гильзами, по сравнению с типовыми снижение СО составило в среднем 10 %, а СН - 8 %.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы. Использование биметаллизированных гильз
цилиндров позволяет повысить эффективную мощность двигателя в режиме номинальной частоты вращения коленчатого вала на 4,8 %, а максимальный крутящий момент на 4,1 %, уменьшить в среднем часовой и удельный эффективный расходы топлива соответственно на 2,6 % и 5,6 %, снизить содержание в отработавших газах оксида углерода и углеводородов соответственно на 10 и на 8 % по сравнению с работой двигателя, оснащенного типовыми гильзами цилиндров.
Литература
1. Автомобильные двигатели / В. М. Архангельский, М. М. Вихерт, А. Н. Воинов и др. - М.: Машиностроение, 1967. - 496 с.
0
0
0
Нива Поволжья № 4 (21) ноябрь 2011 69
2. Болтинский, В. Н. Теория, конструкция и расчёт тракторных и автомобильных двигателей / В. Н. Болтинский. - М.: Сельхоз-издат, 1962. - 388 с.
3. Симдянкин, А. А. Контактно-силовое взаимодействие деталей цилиндро-порш-невой группы: монография / А. А. Симдянкин. - Саратов: Саратовский ГАУ, 2003. -144 с.
4. Теоретическое обоснование применения различных металлов для снижения износа деталей ЦПГ / И. Р. Салахутдинов, А. Л. Хохлов, А. А. Глущенко, К. У. Сафа-ров // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2010. -№ 1(11). - С. 127.
5. Салахутдинов, И. Р. Теоретическое обоснование процесса снижения износа ци-линдропоршневой группы биметаллизаци-ей методом вставок / И. Р. Салахутдинов, А. Л. Хохлов, А. А. Глущенко // Вестник Саратовского ГАУ имени Н. И. Вавилова. -2010. - № 2. - С 39-42.
6. ГОСТ 14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. -М.: Изд-во стандартов, 2003. - 45 с.
7. Пат. на полезную модель 93465 Россия. Цилиндропоршневая группа / А. Л. Хохлов, И. Р. Салахутдинов, Е. С. Зыкин, К. У. Сафаров. - № 2010100259/22; Заяв. 11.01.2010; Опубл. 27.04.2010, Бюл. № 12.
8. Салахутдинов, И. Р. Гильза цилиндров двигателя УМЗ-417 с изменёнными физико-механическими свойствами / И. Р. Са-лахутдинов, А. Л. Хохлов, А. А. Глущенко // Вклад молодых учёных в инновационное развитие АПК России: материалы всероссийской НПК молодых учёных - Пенза: ПГСХА, 2010. - С. 107-116.
9. Салахутдинов, И. Р. Обоснование геометрических параметров вставок при би-металлизации рабочей поверхности гильзы цилиндров двигателя УМЗ-417 / И. Р. Салахутдинов, А. Л. Хохлов, К. У. Сафаров. // Молодёжь и наука ХХ1 века: материалы международной НПК молодых учёных. -Ульяновск: УГСХА, 2010. - С. 99-105.
10. Некрасов, С. С. Послеремонтная обкатка двигателя / С. С. Некрасов, Стрельцов, П. И. Носихин // Агропромышленный комплекс России. - 1989. - № 1. - С. 38-39.
11. Нигаматов, М. Х. Ускоренная обкатка двигателя после ремонта / М. Х. Нигаматов. - М.: Колос, 1984. - 79 с.
12. Мухин, Е. М. Приработка и испытание автомобильных двигателей / Е. М. Мухин, Н. И. Столяров. - М.: Транспорт, 1981. - 265 с.
13. Инструкция завода-изготовителя ОАО «Ульяновский моторный завод» И37.316. 272-2003 на обкатку и испытание двигателей мод. 4178.10. - 68 с.
14. Хитрюк, В. А. Практикум по автотракторным двигателям: учеб. пособие / В. А. Хитрюк, Е. С. Цехов. - Мн.: Ураджай, 1989. - 143 с.
15. Данилов, А. С. Лабораторный практикум по испытаниям двигателей внутреннего сгорания / А. С. Данилов, Р. К. Сафа-ров, П. Н. Аюгин. - Ульяновск: УГСХА, 2001. - 78 с.
16. Автомобили и двигатели. Испытания: лабораторный практикум / Д. А. Уханов, Х. Х. Губейдуллин, А. Л. Хохлов, Р. К. Са-фаров. - Ульяновск: УГСХА, 2011. - 143 с.
