Аналитические предпосылки влияния изменения уровня масла в картере на его срок службы и интенсивность изнашивания деталей двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 80-140^оС можно принять линейной [4]:

, (4)

где б₀ - интенсивность изнашивания при t_M = 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 10^оС 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; E_a - 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 V_min, 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 V_max, 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 V_max 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 V_max 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.

Размещено на Allbest.ru