ФГБОУ ВО "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А."
Кафедра "Автомобили и автомобильное хозяйство"
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ МАСЛА В КАРТЕРЕ НА ЕГО СРОК СЛУЖБЫ И ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ
Денисов Александр Сергеевич
Носов Антон Олегович
Биниязов Абзал Махсотович
Платонов Владимир Валерьевич
Кожинская Алиса Васильевна
г. Саратов
Аннотация
В статье рассмотрена интенсивность изнашивания деталей двигателя при неизменных параметрах теплообменника, режимы подачи масла, параметры вспениваемости.
Ключевые слова: температура, масло, вспениваемость, маслоизмерительный шуп, старение.
The article deals with the wear rate of engine parts at constant parameters of the heat exchanger, oil supply modes, expandability options.
Keywords: temperature, oil foaming, oil level shoop aging.
Одним из основных направлений современного двигателестроения является форсирование преимущественно турбонаддувом. При этом значительно возрастает температура деталей. Рассмотрим влияние объёма масла в смазочной системе (с учётом связи объёма масла с уровнем по маслоизмерительному щупу [3]) на температуру масла. Из формулы объёма циркулируемого масла [1, 2] следует:
. (1)
То есть, прирост температуры обратно пропорционален объёму масла, что в общем виде можно записать:
, (2)
где a - константа, учитывающая конструктивные и режимные параметры:
. (3)
Таким образом, температура масла при неизменных параметрах теплообменника обратно пропорциональна объёму масла в смазочной системе.
Ресурс двигателя определяется интенсивностью изнашивания деталей в основном шатунно-кривошипной и цилиндропоршневой групп. Зависимость интенсивности изнашивания от температуры масла в рабочем диапазоне 80-140оС можно принять линейной [4]:
, (4)
где б0 - интенсивность изнашивания при tM = 0; с - коэффициент пропорциональности.
С учётом зависимостей (2) и (4) получим:
, (5)
где d -константа:
. (6)
Ресурс масла (периодичность замены) определяется интенсивностью старения, то есть интенсивностью (или скоростью) снижения концентрации присадок. Скорость большинства реакций увеличивается с ростом температуры (термоактивируемые процессы). Для количественного описания температурных эффектов в химической кинетике используются два основных соотношения - правило Вант-Гоффа и уравнение Аррениуса.
Правило Вант-Гоффа заключается в том, что при нагревании 10оС скорость большинства химических реакций увеличивается в 2-4 раза. Это правило является приближённым, поэтому чаще используют уравнение Аррениуса:
, (7)
где R - универсальная газовая постоянная; A -множитель, определяемый природой реакции; Ea - энергия активации; T- абсолютная температура, K.
С учётом уравнений (2) и (7) для б(T) запишем:
, (8)
Характер зависимости показан на рис. 1
Температура масла является основным, но не единственным параметром, определяющим ресурс, как двигателя, так и масла. Большое влияние на эти показатели надёжности оказывает режим подачи масла к узлам трения. двигатель масло изнашивание теплообменник
При снижении уровня масла в картере двигателя кроме повышения температуры масла увеличивается вероятность прерывания подачи его в систему и попадания воздуха, то есть вспенивания. Это ведёт к нарушению гидродинамического режима смазки узлов трения, особенно подшипников коленчатого вала и турбокомпрессора и к снижению их ресурса. В общем виде с учётом этого зависимость интенсивности изнашивания деталей узлов трения от объёма (уровня) масла можно записать:
, (9)
где б0 - интенсивность изнашивания при верхней метке на маслоизмерительном щупе; c - коэффициент пропорциональности.
Рис. 1. Характер зависимости интенсивности старения от объёма масла
Область определения данной функции снизу ограничивается минимальным объёмом Vmin, при котором начинается режим прерывания масляного потока или режим масляного голодания. Величина эта носит вероятностный характер, так как определяется режимами работы двигателя и автомобиля (ускорение, замедление, крен и уклоны дороги).
Область определения данной функции сверху ограничивается максимальным объёмом Vmax, при котором начинается режим прерывания масляного потока из-за вспенивания вследствие касания поверхности масла в картере и противовесов коленчатого вала.
При повышении уровня (объёма) масла в картере выше Vmax начинает изменяться режим подачи масла к парам трения, проявляющийся во вспенивании всё большего объёма масла и в образовании масляного тумана. Эти процессы носят вероятностный характер, во многом определяемый временем вспенивания определённого объёма масла. Параметром вспениваемости масел считается склонность к пенообразованию по ГОСТ 32344 2013 [5]. Степень вспениваемости масла возрастает с повышением уровня выше Vmax так же, как и вероятность попадания в маслозаборник вспененного масла (размер и концентрация пузырьков воздуха на рис. 2).
Рис. 2. Схема влияния уровня масла в картере двигателя на его вспениваемость: 1- траектория движения противовеса КВ; 2 - уровень масла; 3 - уровень маслозаборника; а - при отсутствии контакта противовесов с маслом; б - при малом контакте противовесов с маслом; в - при большом контакте; г - вероятность наличия пузырьков воздуха в масле
Вследствие повышения вспениваемости масла нарушается ламинарный режим поступления его к парам трения. Поток масла становится турбулентным, что сокращает его расход через пары трения и повышает интенсивность изнашивания. Зависимость интенсивности изнашивания от объёма масла в этой области определения функции носит нелинейный характер, так как вероятность пузырьков воздуха и их размер увеличиваются по мере повышения уровня масла в картере. Поэтому характер зависимости б от V можно принять экспоненциальным:
, (10)
где б0 - интенсивность изнашивания при объёме масла по верхней метке щупа; f - экспериментальный коэффициент.
Итоговая зависимость интенсивности изнашивания от объёма масла в картере представляет сумму функций (9) и (10) (рис. 3).
. (11)
Рис. 3. Зависимость интенсивности изнашивания от объёма вследствие вспенивания (1), снижения температуры (2), итоговая (3)
Вследствие вспенивания масла повышается площадь контакта с воздухом (пузырьки), что ведёт к повышению окисления (старения) масла. Зависимость эту можно принять экспоненциальной, так как вероятность роста плотности пузырьков с ростом объёма масла возрастает по кумулятивной зависимости:
, (12)
где В - экспериментальный параметр.
Итоговая зависимость интенсивности старения масла представляет собой сумму двух экспонент 8 и 12 (рис. 4):
. (13)
Рис. 4. Зависимость интенсивности старения масла вследствие вспенивания - 1, снижения температуры - 2 и итоговой - 3 от объёма масла в картере
Для отыскания экстремума этих функций найдём их производные и приравняем их к нулю:
, (14)
. (15)
Поскольку полученные аналитические зависимости носят сложный вероятностный характер, то их для практических целей целесообразно аппроксимировать полиномом третьей степени:
, (16)
где a, b, c - экспериментальные параметры, определяемые методом наименьших квадратов.
Выводы
1. Температура масла и интенсивность изнашивания деталей двигателя при неизменных параметрах теплообменника обратно пропорциональны объёму масла в смазочной системе (2) и (5).
2. Итоговая зависимость интенсивности изнашивания от объёма масла в картере представляет сумму функций (9) и (10), а итоговая зависимость интенсивности старения масла представляет собой сумму двух экспонент (8) и (12).
3. Для практического использования при оптимизации объёма масла в картере зависимость интенсивности изнашивания и интенсивности старения масла от его объёма целесообразна функция в виде полинома третьей степени (16).
Литература
1. Двигатели внутреннего сгорания/ под ред. В.Н. Луканина. - М.: Высшая школа, 1985. - 324 с.
2. Автомобильные и тракторные двигатели. Часть 2. Конструирование и расчёт двигателей/ под ред. И.М. Ленина. - М.: Высшая школа, 1976. - 280 с.
3. Анализ параметров смазочной системы двигателя КАМАЗ - 740/ А.С. Денисов, А.О. Носов, А.В. Кожинская и др. // Наука - 21 век. - 2015. - № 1. - С. 3-9.
4. Денисов А.С. Основы работоспособности технических систем: учебник / А.С. Денисов. - Саратов: СГТУ, 2014. - 312 с.
5. ГОСТ 32344 2013. Масла смазочные. Определение вспениваемости. - 20 с.