Системный анализ факторов влияния на успех пуска ДВС в условиях низких отрицательных температур Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

времени; анализ настроечных размеров; определение разряда работы; оптимизация допусков и припусков; отработка на технологичность; анализ экономических показателей; моделирование выбора баз; размерный анализ отклонений расположения; анализ дифференциации и концентрации операций; визуализация технологических размеров и схем; анализ точности обработки; формирование модулей связи с CAD/CAM и другими системами САПР; моделирование технологической операции; анализ технических требований к приспособлениям; формирование связи с моделированием технологии сборки; моделирование и анализ работы цеха.

Библиографический список

1, Корсаков B.C. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении / B.C. Корсаков, Н.М. Капустин, Темпелъгоф К.-Х., Лихтенберг X., Под общ. ред. Н.М. Капустина. — М.: Машиностроение, 1985, - 304 с.

2. Челищев Б.Е. Автоматизация проектирования технологии в машиностроении/ Б.Е. Челищев, И.В. Боброва. А. Гонсалес-

Сабатер - М.: Машиностроение, 1987. - 264 с.

3. Митрофанов В.Г. Диалоговые САПР технологических процессов: Учебник для вузов / В.Г. Митрофанов, Ю.М. Со-ломенцев, А.Г. Схиртладзе и др.; Под ред. Ю.М. Соломенцева. — М.: Машиностроение, 2000. - 232 с.

4. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов / И.П. Норенков. 2-е изд., перераб. и доп. - М.:МГТУ, 2002, - 336 с.

МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессоп, зав. кафедрой «Технология машиностроения ».

БЕККЕР Анна, аспирантка кафедры «Технология машиностроения ».

МАСЯГИН Василий Борисович, к.т.н., доцент кафедры «Технологиямашиностроения».

Дата поступления статьи в редакцию: 22.05.06 г. © Моргунов A.n., Беккер А., Масягин В.Б.

УДК 621.43.036.17

В. В. РОБУСТОВ

Сибирская государственная автодорожная аквдемия

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ФАКТОРОВ ВЛИЯНИЯ

НА УСПЕХ ПУСКА ДВС В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР

На основе рассмотрения теоретических положений о трехстадийности электро-стартерного пуска ДВС проведен системный анализ факторов влияния на успех пуска двигателя в условиях низких отрицательных температур и предложена уточненная научно-обоснованная классификация путей и методов повышения надежности пуска холодных двигателей машин транспортного и специального назначения. Работа представляет интерес для специалистов, занятых разработкой ДВС и их эксплуатацией в зимних условиях и позволяет выбрать эффективные методы и технические средства облегчения пуска двигателя.

■Tirii

Проблема эксплуатации транспортных и специальных машин, а также энергоагрегатов с ДВС в качестве силовой установки в условиях отрицательных температур воздуха еще не нашла своего оптимального решения,

Рядом исследователей предпринимались и предпринимаются попытки разработки рекомендаций по улучшению пусковых свойств двигателей в зимних условиях, позволяющих обеспечивать быстрый и надежный пуск. Известно большое многообразие методов и средств облегчения пуска холодных двигателей в условиях отрицательных температур, однако комплексная научная систематизация их и всесторонняя оценка эффективности применения до настоящего времени еще не приведены к уровню научно обоснованных теоретических положений.

В литературе также не встречается всесторонне обоснованных критериев, характеризующих уровень достаточности предпусковой подготовки холодных двигателей в условиях низких отрицательных температур окружающей среды.

Более того, предпринимаемые исследователями попытки оценивать влияние отдельных факторов на успех пуска вне связи и совокупности их с другими факторами не могут привести к решению проблемы повышения надежности пуска двигателей как многофакторной и многозвенной системы в целом. Так, в работе [1] рассматривается влияние подогрева картерного масла на успех пуска ДВС, и при этом основное внимание направлено на уменьшение момента сопротивления вращению коленчатого вала (КВ) двигателя.

В работе [2] основное внимание уделено условиям работы коренных подшипников в период пуска дизеля Д-240 при низкой температуре окружающего воздуха. Автор показал, что предварительная прокачка системы смазки после предпускового подогрева улучшает работу коренных подшипников и пусковые свойства дизелей.

Авторы работы [3] также считают, что основные способы и средства повышения надежности пуска ДВС при низких температурах следует искать в

направлении улучшения вязкостно-температурных характеристик моторного масла путем его разбавления топливом, подогревом и подбором масел с улучшенными свойствами. Приведены также результаты исследования и схема позисторного электроподогревателя моторного масла.

Вместе с тем имеются работы, в которых на параметрическом уровне дается более широкий крут факторов, влияющих на успех пуска ДВС в зимних условиях, однако более глубокого системного анализа приведенных факторов в них не приводится [4].

Более глубокий анализ факторов влияния на успех пуска ДВС в условиях отрицательных температур приведен в работе [5]. Однако и здесь рассматриваемые методы и средства улучшения пусковых качеств двигателей не объединены в единую систему.

Наиболее полно и системно анализ путей и методов повышения надежности пуска холодных двигателей в условиях низких температур дан в работе [6]. Приведенная в ней классификация разработана на основе теории электростартерного пуска ДВС. В настоящей работе учтены последние достижения техники и внесены необходимые уточнения в эту классификацию.

В условиях все возрастающего ухудшения экологической обстановки и непрекращающегося роста цен на топливо-смазочные материалы (ТСМ) правильный выбор методов и средств облегчения пуска холодного двигателя в зимних условиях приобретает жизненно важное значение для успешной эксплуатации всего машинного парка страны.

На наш взгляд, рассматривать отдельные факторы влияния на успех пуска ДВС следует в их совокупности на основе сис темного анализа.

Системный анализ — это методология решения сложных задач и проблем, основанная на концепции систем. Среди системных исследований особое место занимают вопросы описания структуры системных объектов, взаимодействия и взаимовлияния входящих в нее элементов. Таким образом, систему следует рассматривать как целостное множество взаимосвязанных элементов. В этом случае элементы системы рассматриваются как самостоятельные, но взаимозависимые части. С точки зрения состояния системы, в первую очередь важно установить определяющие элементы, исходя из их роли в функционировании всей системы, выяснить, как элемент влияет на состояние системы [9].

Совокупность элементов является системой, если а) обозначены связи, существующие между этими элементами; б) каждый элемент внутри системы считается самостоятельным (неделимым); в) с окружающей средой система взаимодействует как целое; г) при изменении во времени совокупность будет считаться системой, если между ее объектами в разные моменты времени можно провести однозначное соответствие.

В данной статье излагаются результаты системного анализа факторов влияния на успех пуска ДВС в условиях низких отрицательных температур на основе рассмотрения закономерностей электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания.

Согласно [7], электростартерный пуск двигателя включает в себя три стадии:

Первая стадия — вращение коленчатого вала (КВ) двигателя с помощью стартера

Мп= +J (йа>/<Н), (I)

Вторая стадия — вращение КВ от стартера и работающих цилиндров

+1Ми = Мгпщ< + ./ (с!а> /сН), (2)

Третья стадия — вращение КВ от работающих цилиндров

м.„,„, + (¿й)/(11), (3)

где М1Л. - крутящий момент стартера, приложенный к коленчатому валу двигйгеля

Мчмф — момент сопротивления вращению КВ двигателя; J - момент инерции двигателя, приведенный к КВ; со - угловая скорость вращения КВ двигателя; ( — время;

1МЦ — сумма индикаторных моментов работающих цилиндров.

Из приведенных выше уравнений, особенно (2). можно видеть, что иге усилия по повышению надежности пуска холодного двигателя в условиях отрицательных температур должны быть направлены на увеличение /ИЬ11 стартера, улучшение условий начала рабочего процесса в цилиндрах двигателя 1М ("завязку" рабочего процесса), уменьшение момента сопротивления М , прокручиванию КВ, уменьшению приведенного момента инерции двигателя У. Таким образом, наибольшее количество факторов, влияющих на успех пуска двигателя, участвует в уравнении (2) второй стадии пуска. Входящие в это уравнение элементы можно рассматривать как части большой системы факторов влияния на успех пуска ДВС в-различных условиях. Они полностью отвечают вышеизложенным требованиям системы.

Попробуем качественно проанализировать их влияние на успех пуска холодного ДВС.

Крутящий момент стартера М^. Чем выше М(1., тем больше при прочих равных условиях момент ускорения

Му = М„-Мгищ=Цс1<о/сН), (4) тем выше угловая частота вращения КВ двигателя, тем выше температура конца сжатия в цилиндре, тем легче воспламенение топливо-воздушной смеси, тем легче пуск двигателя. При этом М1Т = М.т — МЧ1С1< — - М

Ч<1ГН

Без учета магнитных и механических потерь

К, = М.т = ^-Ф/, (5)

2л • а

где М — электромагнитный момент, р — число пар полюсов, N — число проводников в обмотке якоря, о — число параллельных ветвей обмотки якоря, Ф — магнитный поток полюсов /я — сила тока в цепи якоря. Сила тока зависит от состояния АКБ, сопротивления электрической цепи и частоты вращения якоря ¡\. Магнитный поток Ф также зависит от силы тока, потребляемого электростартером.

В свою очередь потребная (полезная) мощность стартера связана с моментом Мп следующей зависимостью:

Р„ = 2яКап здесь л — частота вращения КВ, об/сек или сек'1.

Взаимосвязь потребной мощности стартера и продолжительности пуска состоит в том, что чем меньше требуется продолжительность запуска, тем больше должна быть мощность стартера и наоборот.

В условиях эксплуатации на увеличение М^ можно влиять увеличением разрядного тока АКБ, поддержанием ее в заряженном состоянии, уменьшением сопротивления в цепи батарея-стартер, применением стартера повышенной мощности, а при создании стартера - совершенствованием ого конструкции.

Момент сопротивления Мсоп|1 вращению КВ двигателя зависит от целого ряда параметров и в

Подыщет? ^{.-у^щщего попкнто стартера

лг

^ 5

* 5

§ е

Н

II

о 4

.х:

Упрньше*ие I опро-'пиб/'-гниа

г -':ггд:л~л:г:.:. х:

'О о

о * * о

: т.;

и пг СХС) СГ О

г6 81

.....Г

«Э Ч

Л Э

* *

с

О О/

е * * ?

* 5

I^ЛцчиС.чни? у( "¡обид НО чоло [ рпбО'Ч3?» "р0Ч£(<0 6 .<■•'

' ЕЕ

ц;.т

л. л ^ о

Успопъ задание т&плиь сфойнок

И{паль.ю6оние а/Аол'иге^еиП

_и мыкюб чюби^ре&апя-.юи___|

----1 Н(поль.зо&оьир пгкимулягг.ороЬ <7>рг,па

—С

Ипели 'сбочу? гадиисорт1» >

¿енеропород мола ]

Рис. 1. Классификация путей и методов повышения надежности пуска холодного двигателя

значительной степени от температуры и вязкости масла. Уменьшение МС„П|, коленчатого вала оказывает такое же качественное влияние на успех пуска двигателя, как и увеличение Мгг. Уменьшение сопротивления при прочих равных условиях может быть достигнуто за счет: уменьшения поверхности трения в ДВС, уменьшения удельного давления трения, уменьшения коэффициента трения, подачи масла на зеркало цилиндра, прокачки подшипников жидким (теплым) маслом от электронасоса, предварительного прокручивания КВ двигателя, отключения трансмиссии сцеплением, использования декомпрессора, изменения диаграммы газораспределения и т.п. способами.

Решающее значение при пуске холодного двигателя имеет создание условий начала рабочего процесса в конце такта сжатия. В уравнение второй стадии пуска это входит в виде суммы индикаторных моментов £Мц работающих цилиндров двигателя. Чем больше ЕМ1( тем короче время пуска, быстрее выход двигателя на установившийся режим прогрева, меньше «время подготовки двигателя к принятию нагрузки», т.е выше пусковые качества двигателя. Улучшение условий начала рабочего процесса в конце такта сжатия может быть достигнуто целым рядом способов: использованием соответствующего топлива с легкими фракциями, использованием ЛВЖ или пускового топлива, обогащением горючей смеси, повышением цета-нового числа топлива, обеспечением необходимого распыла топлива, подогревом топлива перед форсунками, подогревом воздуха или горючей смеси на входе в цилиндры, подогревом в камере сгорания (свечами), подбором оптимального угла опережения

впрыска или зажигания, повышением оборотов коленчатого вала при пуске, подогревом головки цилиндра (ОЖ, газ, воздух), использованием мощного источника зажигания (искра, факел, спираль) и т.п. способами.

Что касается момента инерции двигателя Л, приведенного к КВ, то в условиях эксплуатации оказать влияние на его уменьшение возможностей практически нет, и этот параметр закладывается при конструировании и производстве ДВС.

На основе теории электростартерного пуска ДВС разработана уточненная классификация путей и методов повышения надежности пуска холодного двигателя при низких температурах окружающей среды, приведенная на рисунке 1. На схеме наряду с направлениями однопараметрического влияния приведены направления комплексного характера, объединяющие 2 или 3 отдельных направления. Это использование теплых стоянок, использование независимых подогревателей и котлов-отопителей, использование аккумуляторов тепла, стационарных генераторов тепла и прочих технических средств [8].

Исходя из анализа путей и методов повышения пусковых и эксплуатационных качеств двигателей нами были разработаны концепция и технология повышения пусковых и эксплуатационных качеств дизелей при низких отрицательных температурах, а также технические средства для их реализации

Концепция повышения пусковых и эксплуатационных качеств двигателей в зимний период заключается в обеспечении комплексной тепловой подготовки двигателя к пуску, т.е. подогрев его основных функциональных систем: смазки, питания, охлаждения и коренных подшипников. Наибо-

лее перспективным решением проблемы надежного пуска двигателя жидкостного охлаждения является применение электрических подогревателей масла, охлаждающей жидкости, топлива. Они обеспечивают повышение температурного режима двигателя к моменту запуска и облегчают пуск [6]. Пусковые качества двигателей воздушного охлаждения также можно повысить подогревом картерного масла, топлива и поступающего в цилиндры воздуха.

Результаты системного анализа факторов влияния на успех пуска холодного ДВС нами были использованы при повышении пусковых качеств вихрекамерных дизелей типа В А3-3413/3434 производства ОАО «Барнаултрансмаш» и работающих в составе агрегатов автономного электроснабжения передвижных комплексов.

Предварительные испытания дизелей ВАЭ-3413 в первоначальной штатной комплектации показали, что проблемы с запуском начинаются при температурах — 5°С и ниже. Несмотря на наличие штатных устройств облегчения пуска указанных дизелей (свечи накаливания, подогреватель топливного фильтра тонкой очистки в виде проставки между крышкой и колпаком), проблема надежного запуска их при отрицательных температурах существовала и требовала своего неотложного конструктивного решения.

Для повышения пусковых качеств указанных дизелей в условиях низких отрицательных температур использованы 3 направления: подогрев моторного масла в картере дизеля (уменьшение М ), подогрев ОЖ в головке блока цилиндров (улучшение условий рабочего процесса) и повышение мощности стартера (Мп.). Для этого были специально разработаны электрические подогреватели моторного масла и ОЖ. Ленточный подогреватель моторного масла МЭН-02 мощностью 280 Вт был установлен в картере непосредственно под масло-приемником. Подогреватель тосола мощностью 900 Вт с собственным корпусом был включен по кольцевой системе соответственно ко входу и выходу рубашки охлаждения головки блока цилиндров. Испытания эффективности выбранной системы подогрева были проведены в составе двигателя ВАЭ-3413 дизель-генератора У69М, помещенного в климатермо-барокамеру КТВ У-8000-1У.

Цель испытаний: определение режимов максимальной эффективности использования тепло-производительности подогревателей МЭН-02 и ПОЖ-02МТ для обеспечения холодного пуска ДЭА У-69М.

Испытания проводились в соответствии с программой У-69М-45ПМ при отрицательных температурах -10,-15, -25°С. Время прогрева было выбрано 30 минут, после чего двигатель запускали от штатной системы электропуска ДГУ. Двигатель запускался с первой попытки. Результаты подогрева моторного масла и охлаждающей жидкости при испытаниях ДЭАУ-69М в камере холода приведены на рисунке 2.

С целью повышения крутящего момента стартера Мст и ускорения набора оборотов коленчатого вала для удовлетворение требований ТУ по длительности (5 сек.) и числу попыток пуска (3) в условиях низких отрицательных температур до -50°С был установлен стартер повышенной мощности.

Как видно из графика рис. 2, на кривых подогрева масла 2 и 4 можно выделить два характерных участка по скорости нарастания температуры: 1 -й от 0 до 5 мин. и 2-й от 5 до 30 мин. На кривых 1 и 3 подо-

Бремя,мин

Рис. 2. Динамика подогрева масла и тосола подогревателями МЭН-02 и Г10Ж-02МТ в составе ДЭА У-69М в камере холода.

1 - температура ОЖ в головке цилиндров приТокр= -]5°С;

3 - то же при Токр = -25°С;

2 - температура масла в картере приТок()= -15°С;

4 - то же при Т = -25°С

грева ОЖ в головке цилиндров можно выделить 3 участка: 1 -й от 0 до 5 мин., 2-й от 5 до 20 мин., 3-й от 20 до 30 мин.

Более медленное нарастание температуры масла на участке от 0 до 5 мин. объясняется тем, что датчик температуры был установлен в месте сливной пробки, удаленной от нагревательного элемента и прогретого над ним столба теплого масла на расстояние 50 - 60 мм, поэтому для поступления нагретых порций масла к датчику потребовалось определенное время. На 2-м участке кривых подогрева 2 и 4 скорость нарастания температуры масла резко увеличилась вследствие достаточно высокого теплового напора и осталась без изменения практически до выключения подогревателя в момент-времени 30 мин., что свидетельствует о высоком запасе теплопроизводительности подогревателя МЭН-02 в этих условиях.

Начальный участок медленного нарастания температуры ОЖ на кривых 1, 3 объясняется тепловой инерционностью подогревателя и плавным увеличением скорости термосифонного потока ОЖ, поступающего в головку цилиндров. На 2-м участке от 5 до 20 мин. Когда объем жидкости в подогревателе полностью прогрет до установившейся температуры поступление горячей жидкости в головку возрастает и изменение скорости подогрева ОЖ в головке происходит почти по линейному закону. На 3-м участке намечается снижение скорости нарастания температуры ОЖ за счет увеличения потерь в окружающую среду и утечек подогретой жидкости в блок цилиндров и через термостат в радиатор. Поэтому при подогреве ОЖ в головке блока цилиндров целесообразно устанавливать электроклапан отсечки поступления ОЖ в радиатор через термостат.

Также можно видеть по кривым подогрева масла и ОЖ, что на момент времени подогрева 30 мин имеется запас по подогреву от 10 до 17°С при температурах минус 25 и -15°С соответственно, что

может быть использовано как резерв возможностей установленных подогревателей для холодных пусков дизеля при снижении температуры окружающего воздуха до -45...-50°С.

Выводы

1. При анализе и выборе путей, методов и технических средств повышения пусковых качеств ДВС в условиях низких отрицательных температур следует иметь в виду, что наиболее успешно проблема повышения надежности пуска холодных двигателей решается при комплексном применении указанных средств.

2. На основе системного анализа и теории электростартерного пуска разработана уточненная классификация путей и методов повышения надежности запуска холодных двигателей в условиях низких отрицательных температур.

3. Комплексное применение разработанных технологий и технических средств повышения пусковых качеств дизелей BA3-3413/ 3434 производства ОАО «Барнаултрансмаш» позволило обеспечить повышение их надежного запуска от температуры — 5°до-25°С.

Библиографический список

1. Ильчук И.А. Способы повышения надежности пуска ДВС при низких температурах. Автомобильная промышленность. — 2003 - 12 -с. 22-24.

2. Махутов A.A. Пуск дизеля при низкой температуре окружающего воздуха. Тракторы и сельскохозяйственные машины.- 2004 - № 4 - с. 40-41.

3. Кочергин C.B., Остриков В В. Саморегулируемый электроподогрев моторного масла в двигателях внутреннего сгорания. Двигателестроение .- 2004,- Na 4 - с. 33-36.

4. Шуваева И М., Терещенко A.A., Захаров Н.С. Факторы, влияющие'на надежность пуска автомобильных двигателей зимой. Приспособленность машин к суровым условиям эксплуатации. В сб. науч. тр., ТюмГНГУ, Тюмень, 2001, с. 54-57.

5. Авдонькин Ф.Н. Теоретические основы технической эксплуатации автомобилей. М.: Транспорт, 1985. - 215 с.

6. Робустов В.В:, Худяков Д.В., Фомин С.Г., Шарапов В.К. Повышение пусковых качеств вихрекамерных дизелей в условиях низких отрицательных температур. Двигателестроение .- 2005 .- № 4 - с. 16-20.

7. Микулин Ю.В , Карницкий В.В. Энглин Б.А. Пуск холодных двигателей при низкой температуре,/Ю.В. Микулин, В В. Карницкий, Б.А. Энглин. - М.: Машиностроение, 1971. -214с.

8. Вашуркин И.О.Тепловая подготовка и пуск ДВС мобильных транспортных и строительных машин зимой. С-Петер-бург, «Наука», 2002.

9. Чернов Л.Б. Основы методологии проектирования машин. М.: Машиностроение, 1978.

РОБУСТОВ Валентин Валентинович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Эксплуатация и ремонт автомобилей».

Дата поступления статьи в редакцию: 05.05.06 г. © Робустов В.В.

УДК 539 214:669 Д. В. ТЕЛЕВНОЙ

А. А. ФЕДОРОВ

Омский государственный технический университет

НАНОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС НА ОСНОВЕ

ОБЪЕМНОЙ МИКРОПЛАСТИЧНОСТИ

В данной статье рассматривается динамическое развитие уникального явления -объемной микропластичности, на базе которого авторами создан нанометаллургический процесс по насыщению деталей машин азотом с целью повышения износостойкости и конструкционной прочности.

Рост потребления ресурсов изделиями машиностроения ставит вопрос о создании машин, потребляющих малое количество топлива и энергии за счет снижения потерь на трение в их узлах. Как известно [3], более 50% топлива, потребляемого автомобилем, расходуется на преодоление сил трения в узлах, 85-90% машин выходит из строя по причине износа деталей. Постоянно снижающиеся запасы руд первой категории заставляют задумываться о масштабной миниатюризации деталей машин, уменьшении удельных нагрузок на них и о создании пар трения с минимальным износом.

Одним из наиболее перспективных путей повышения износостойкости пар трения является модификация их поверхностного слоя с целью увеличе-

ния конструкционной прочности при одновременном повышении антифрикционных свойств. Самое перспективное направление в модифицировании поверхностного слоя - это нанопроцессы.

Нанометаллургический процесс реализуется на базе объемной микропластичности в той стадии, когда металл переходит в высоковозбужденное состояние при прохождении конуса скольжения с образованием металлоплазмы. Высокие триботехни-ческие характеристики тяжелонагруженных деталей, обработанных ударно-акустическим методом [4], говорит о том, что изучение нанопроцессов на основе объемной микропластичности актуально.

Суть нанометаллургического процесса по насыщению микрообъемов азотом на основе объемной