CC BY
101
УДК 629.113.004.67
Якубович И.А.1, Кулаков А.Т.2, Шафеев Д.Р.3
1 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) 2Набережночелнинский институт Казанского федерального университета 3ООО «Модерн Машинери Фар Ист», г Магадан E-mail: yakubovich_irina@mail.ru
УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЕЙ КАМАЗ-7403 ПУТЕМ АВТОНОМНОЙ ПОДАЧИ МАСЛА К ТУРБОКОМПРЕССОРАМ
Приведены результаты стендовых испытаний двигателя КАМАЗ-7403 с подводом масла к турбокомпрессорам ТКР 7Н-1 от автономной системы подачи масла. Установлено, что повышение давления до 0,7 МПа обеспечивает более интенсивную смазку и отвод тепла. Оценено влияние повышения давления, подводимого от автономной системы подачи масла к турбокомпрессорам двигателя на его параметры.
Ключевые слова: моторные испытания, турбокомпрессор, автономная система подачи масла, подшипниковый узел.
При эксплуатации автомобиля существует проблема неустойчивой работы двигателя на режимах максимального крутящего момента и частыми отказами турбокомпрессора (ТКР) из-за перегрева и деформации корпуса подшипника. В предыдущих исследованиях [1], [5], [6] показано, что причиной является недостаточное количество прокачиваемого через ТКР масла. Износы и работа в условиях сурового климата обостряют проблему недостаточного давления подвода масла к ТКР, что вызывает необходимость исследований и доводки двигателя применительно к экстремальным природно-климатическим условиям Крайнего Севера [1], [2]. Автономная система подачи масла к турбокомпрессорам двигателя КАМАЗ 7403.10 позволяет обеспечить очистку, подогрев и необходимое давление подачи масла в ТКР.
В ходе исследований ставилась задача по улучшению параметров ТКР и двигателя с применением автономной системы подачи масла к ТКР по сравнению с серийным исполнением.
Основными параметрами, характеризующими эффективность применения автономной системы подачи масла к ТКР, является поддержание постоянного давления мала на входе в ТКР, и, как следствие, более эффективный отвод тепла от трущихся деталей, снижение температуры масла на выходе из ТКР, увеличение частоты вращения ротора, давления наддува, а также снижение удельного расхода топлива и рост мощности двигателя. Подогрев масла при низких температурах позволяет избежать большого периода запаздывания подвода масла к ТКР.
В условиях завода двигателей ОАО «КАМАЗ» проведены стендовые моторные испытания двигателя КамАЗ 7403.10 с подводом масла к двум ТКР 7Н-1 от установки автономной подачи масла [4] (рисунок 1).
Установка состоит из масляного бака 1, насоса 2 с приводом от электродвигателя 3, крана 4 и рукава 5 установки давления подачи масла, масляного фильтра 6, манометра 7, трубки 9 подачи масла в турбокомпрессоры, рукавов 10 слива масла.
В бак заполняется моторное масло в количестве 30 литров, по рукавам 7 и 8 сливается масло, на сливе из левого турбокомпрессора осуществлялся замер температуры масла термопарой. Масло в масляном фильтре 6 очищается от механических примесей и по трубке 9 подается в подшипнковые узлы турбокомпрессоров.
Поэтапно в турбокомпрессоры подавалось масло от автономной системы подачи масла с рекомендуемым давлением масла 0,7 МПа, со сниженным до эксплуатационного уровня 0,3 МПа, и в штатной серийной комплектности от смазочной системы двигателя с давлением рсер=0,4-0,5 МПа [4], [6].
При этом фиксировались следующие рабочие параметры:
- частота вращения коленвала, п (мин-1);
- крутящий момент двигателя, Мк (Н.м);
- мощность двигателя, N. (кВт);
- давление в системе смазки двигателя, рм (МПа);
- температура масла в системе смазки двигателя, 1 (°С);
- давление масла в установке системы автономной смазки турбокомпрессоров, равт (МПа);
- давление наддува, рк (МПа);
- часовой расход топлива двигателя, Gт (кг/час);
- удельный расход топлива двигателя, ge (г/л.с.час);
- температура масла на сливе из турбокомпрессоров, ^ ТКР (°С);
- расход масла через один турбокомпрес-
С (л/мин).
Параметры двигателя по внешней скоростной характеристике (ВСХ) и устойчивость работы оценивались в серийном исполнении, с автономной системой подачи масла при значениях давления масла 0,3 и 0,7 МПа, результаты представлены в таблицах 1-3.
Таблица 1. Параметры, измеряемые при работе серийного двигателя
п, мин"1 N. кВт Мк, Н м От, кг/час ge, г/л.с.час
1000 55,09 525,3 12,9 156,3
1200 68,84 546,8 13,7 146,8
1400 98,19 668,4 21,9 164,0
1600 125,04 742,8 26,3 155,0
1800 141,95 752,6 31,4 162,7
2000 155,19 738,9 34,4 163,5
2200 166,96 723,2 36,9 162,7
2400 174,68 693,8 40,7 171,3
2600 181,67 666,4 44,2 178,8
Дополнительно измерялись параметры турбокомпрессора при работе двигателя по ВСХ; результаты приведены в сравнительных таблицах 4-10.
Таблица 2. Параметры, измеряемые при работе двигателя с автономной системой подачи масла к ТКР с давлением р =0,3 МПа
п, мин"1 N. кВт Мк, Н м От, кг/час ge, г/л.с.час
1000 51,71 493,4 10,7 152,2
1200 66,20 526,8 15,8 175,3
1400 93,26 635,7 18,6 145,7
1600 120,62 720,1 25,4 154,5
1800 139,01 737,7 30,8 162,6
2000 151,51 724,0 34,1 165,4
2200 162,55 706,3 36,5 165,1
2400 169,90 676,9 40,0 173,1
2600 180,93 665,1 42,6 172,9
Таблица 3. Параметры, измеряемые при работе двигателя с автономной системой подачи масла к ТКР с давлением р =0,7 МПа
п, мин"1 N. кВт Мк, Н м От, кг/час ge, г/л.с.час
1000 53,69 512,1 10,7 146,3
1200 67,37 535,6 13,2 144,3
1400 97,75 666,1 20,6 155,3
1600 124,01 739,7 27,3 161,7
1800 141,95 752,4 31,2 161,5
2000 154,01 734,8 34,4 164,5
2200 164,60 714,2 37,5 167,5
2400 172,18 684,7 40,7 173,7
2600 181,23 665,1 43,6 177,1
1 - масляный бак; 2 - трубка всасывания масла; 3 - маслонасос с приводом от электродвигателя; 4 - кран регулирования давления; 5 - рукав слива масла при регулировании давления; 6 - фильтр масляный; 7 - манометр; 8 - турбокомпрессоры; 9 - трубка подвода масла к ТКР; 10 - рукава слива масла с ТКР
Рисунок 1. Экспериментальная установка автономной системы подачи масла к турбокомпрессорам двигателя КАМАЗ 7403.10
Таблица 4. Величина избыточного давления после ТКР (наддув) при работе двигателя по ВСХ, рк (МПа)
п, мин-1 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
Серийный ДВС 0,007 0,011 0,021 0,035 0,047 0,056 0,065 0,075 0,082
Равт=0,7 МПа 0,008 0,012 0,022 0,037 0,048 0,058 0,067 0,075 0,083
Отклонение равт=0,7 МПа от рсер , % 14,3 9,1 4,8 5,7 2,1 3,6 3,1 0 1,2
равт=0,3 МПа 0,006 0,011 0,020 0,033 0,046 0,057 0,064 0,072 0,080
Отклонение равт=0,7 МПа от рсер , % -14,3 0 -4,8 -5,7 -2,1 1,8 -1,5 -4 -2,4
Таблица 5. Расход масла через левый ТКР, замеренный на сливе при работе двигателя с автономной системой подачи масла по ВСХ, Gм (л/мин)
п, мин-1 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
Равт=0,7 МПа 3,52 3,43 4,23 3,85 3,57 3,58 3,15 3,54 3,19
Равт=0,3 МПа 2,03 2,23 2,36 2,5 2,52 2,49 2,68 2,35 2,3
Таблица 6. Температура масла на сливе из турбокомпрессоров при работе двигателя с автономной системой подачи масла по ВСХ, ТКР (°С)
п, мин-1 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
равт =0,7 МПа 119,8 123,4 128,8 130,6 130,2 128,5 126,5 123,6 120,2
равт =0,3 МПа 122,2 124,5 128,7 132,0 133,0 132,0 132,3 132,9 132,6
Таблица 7. Удельный расход топлива двигателя при работе двигателя по ВСХ, ge (г/л.с.час)
п, мин-1 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
Серийный ДВС 156,3 146,8 164,0 155,0 162,7 163,5 162,7 171,3 178,8
равт=0,7 МПа 146,9 144,3 155,3 161,7 161,5 164,5 167,5 173,7 177,1
Отклонение равт=0,7 МПа от рсер , % -6 -1,7 -5,3 4,3 -0,7 0,6 3 1,4 -1
равт=0,3 МПа 152,2 175,3 145,7 154,5 162,6 165,4 165,1 173,1 172,9
Отклонение равт=0,7 МПа от рсер , % -2,6 19,4 -11,2 -0,3 -0,1 1,2 1,5 1,1 -3,3
Таблица 8. Мощность двигателя, N. (кВт)
п, мин-1 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
Серийный ДВС 55,09 68,84 98,19 125,04 141,95 155,19 166,96 174,68 181,67
равт=0,7 МПа 51,71 66,20 93,26 120,62 139,01 151,51 162,55 169,90 180,93
Отклонение равт=0,7 МПа от рсер , % -6,1 -3,8 -5 -3,5 -2,1 -2,4 -2,6 -2,7 -0,4
равт=0,3 МПа 53,69 67,37 97,75 124,01 141,95 154,01 164,60 172,18 181,23
Отклонение равт=0,7 МПа от рсер , % -2,5 -2,1 -0,4 -0,8 0 -0,8 -1,4 -1,4 -0,2
Таблица 9. Часовой расход топлива, Gт (кг/час)
п, мин-1 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
Серийный ДВС 12,9 13,7 21,9 26,3 31,4 34,4 36,9 40,7 44,2
равт=0,7 МПа 10,7 15,8 18,6 25,4 30,8 34,1 36,5 40,0 42,6
Отклонение равт=0,7 МПа от рсер , % -17,1 15,3 -15,1 -3,4 -1,9 -0,9 -1,1 -1,7 -3,6
равт=0,3 МПа 10,7 13,2 20,6 27,3 31,2 34,4 37,5 40,7 43,6
Отклонение равт=0,7 МПа от рсер , % -17,1 -3,6 -5,9 3,8 -0,6 0 1,6 0 -1,4
Таблица 10. Крутящий момент двигателя, Мк (Н-м)
п, мин-1 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
Серийный ДВС 525,3 546,8 668,4 742,8 752,6 738,9 723,2 693,8 666,4
равт=0,7 МПа 493,4 526,8 635,7 720,1 737,7 724,0 706,3 676,9 665,1
Отклонение равт=0,7 МПа от рсер , % -6,1 -3,7 -4,9 -3,1 -2 -2 -2,3 -2,4 -0,2
равт=0,3 МПа 512,1 535,6 666,1 739,7 752,4 734,8 714,2 684,7 665,1
Отклонение равт=0,7 МПа от рсер , % -2,5 -2 -0,3 -0,4 0 -0,6 -1,2 -1,3 -0,2
С увеличением давления до 0,7 МПа (см. табл. 5, 6) температура масла на выходе из ТКР заметно снижается, что является следствием увеличения расхода масла через турбокомпрессор. Это способствует лучшему охлаждению деталей турбокомпрессора и предотвращению деформаций корпуса подшипника из-за перегрева и отказов по заклиниванию ротора.
Зависимость удельного расхода топлива с автономной системой подачи масла при давлении 0,7 МПа не имеет пиковых значений, по удельному расходу топлива получена оптимальная характеристика. На рисунке 2 видно, что удельный расход топлива определяется как частотой вращения коленчатого вала, так и давлением масла, подводимого к ТКР.
При частоте вращения коленчатого вала при оборотах ниже 1800 мин-1 при серийной комплектации, а также с автономной системой при сниженном давлении до 0,3 МПа, наблюдается повышенный удельный расход топлива с пиками на определенных оборотах, особенно на режиме максимального крутящего момента. На
этих же режимах при испытаниях отмечалась неустойчивая работа двигателя («плавание» оборотов и прекращение работы двигателя).
Исследования показали значительное влияние давления подачи масла в ТКР на улучшение характеристик двигателя КАМАЗ 7403.10 (таблицы 1-4, 7-10). Увеличение и стабилизация давления подвода масла из автономной системы подачи масла к ТКР способствует более интенсивному процессу смазки и отводу тепла и улучшению параметров турбокомпрессора [7]—[9]. Неустойчивая работа двигателя на режиме максимального крутящего момента, наблюдаемая при серийной комплектации исчезает, двигатель работает по ВСХ ровно без провалов и раскачки, не глохнет на режимах 1300 и ниже. Это происходит из-за снижения потерь мощности в подшипнике ТКР и раскрутки ротора, что приводит к увеличению давления наддува ТКР, улучшению технических, эксплуатационных и экологических характеристик ДВС и исключению неустойчивой работы двигателя в области п=1200—1300 мин-1.
23.05.2014
Список литературы:
1. Альмеев, Р.И. Анализ устройств для предпусковой смазки деталей ДВС / Р.И. Альмеев // Проблемы транспорта и транспортного строительства: сб. науч. тр. Сарат. гос. техн. ун-т. — Саратов, 2008. — С. 125—132.
2. 740.60-3902001 РЭ. Руководство по эксплуатации двигателей КамАЗ ЕВРО-2 и ЕВРО-3. — Набережные Челны: ОАО «КамАЗ», 2007. — 142 с.
3. Альмеев, Р.И. Повышение долговечности подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей путем применения управляемой предпусковой смазочной системы: дис... канд. техн. наук: 05.22.10 / Р.И. Альмеев. — Саратов, 2011. — 135 с.
4. Пат. 130644 Российская Федерация, МПК7: Р04Б29/063. Устройство подачи масла в турбокомпрессор с постоянным давлением, подогревом и очисткой / А.Т. Кулаков, И.А. Якубович, А.Н. Якубович, А.Г. Финоченко, А.А. Малаховецкий; заявитель и патентообладатель А.Т. Кулаков, И.А. Якубович, А.Н. Якубович, А.Г. Финоченко, А.А. Малаховецкий. — заяв.07.12.12; опубл. 10.01.13, Бюл. №1. — 3 с.
5. Кулаков, А.Т. Эксплуатационная надежность КамАЗов / А.Т. Кулаков, И.А. Якубович // Автотранспортное предприятие, 2013. — №3. — С. 45—48.
6. Кулаков, А.Т. Влияние автономной подачи смазки в узлы подшипников ТКР 7Н-1 двигателя КАМАЗ 7403 / А.Т. Кулаков [и др.] // Проблемы технической эксплуатации и автосервиса подвижного состава автомобильного транспорта: сб. науч. тр. / Моск. гос. автом.-дор. ун-т. - М., 2014. - С. 133-141.
7. Кулаков, А.Т. Ремонт и восстановление турбокомпрессоров ТКР-7Н1 дизелей КАМАЗ / А.Т. Кулаков, И.А. Якубович. -Магадан, 2013. - С. 121-129.
8. Гаффаров, А.Г. Восстановление турбокомпрессоров автомобильных дизелей применением усовершенствованного ремонтного комплекса подшипникового узла: автореф. дис... канд. техн. наук: 05.22.10 / А.Г. Гаффаров. - Оренбург, 2012. - 18 с.
9. Кулаков, А.Т. Повышение ремонтопригодности турбокомпрессора путем усовершенствования подшипника / А.Т. Кулаков, A.A. Макушин, А.Г. Гаффаров // Современная техника и технологии: проблемы, состояние, перспективы»: материалы регион. науч.-практ. конф. - Рубцовск, 2011. - С. 377-383.
10. Шафеев, Д.Р Исключение «протечки масла» через уплотнения турбокомпрессоров созданием дренажной системы / И.А. Якубович, А.Т. Кулаков, А.Г. Гаффаров // Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспорт-ных комплексов: сб. трудов VI междунар. экол. конгресса ELPIT 2013 г. - Тольятти: ТГУ, 2013. - т.6. - С. 420-422.
Сведения об авторах:
Якубович Ирина Анатольевна, профессор кафедры эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета,
доктор технических наук, доцент 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 474, е-mail: yakubovich_irina@mail.ru.
Кулаков Александр Тихонович, заведующий кафедрой автомобильный транспорт Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета, доктор технических наук, профессор, е-mail: alttrak09@mail.ru
Шафеев Даниил Рафаилович, директор ООО «Модерн Машинери Фар Ист» 685000, г. Магадан, ул. Речная, д. 79/1, е-mail: dan@modernmachinery.ru
