Технические науки/ 5 энергетика

Д.т.н. Гоц А.Н., асп. Белов Е.С.

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ), Россия

Изменение толщины масляной пленки в сопряжении

«поршень-цилиндр» при деформации цилиндра

Цилиндры семейства двигателей воздушного охлаждения производства ООО «ВМТЗ» (Д-144, Д-120) литые, чугунные, с ребрами охлаждения. При сборке цилиндр устанавливается на картер двигателя и притягивается четырьмя анкерными шпильками вместе с алюминиевой головкой цилиндра, что при недостаточной жесткости последней, приводит к деформации, опорного бурта цилиндра в зоне шпилек, а также зеркала цилиндра вдоль образующей.

Рис. 1. Эпюра радиальных деформаций Ur зеркала цилиндра двигателя Д144 в области верхнего компрессионного кольца при положении поршня в ВМТ и приложении момента затяжки 140 Н∙м

В области верхнего поршневого кольца (при положении поршня в ВМТ) величина диаметральной деформации зеркала цилиндра достигает 0,022 мм в плоскости оси коленчатого вала (рис. 1). Неравномерность поршневого зазора приводит к росту контактного давления на масляную пленку, вызывая ее разрушение. В результате увеличивается трение, вызывающее перегрев деталей ЦПГ, а также повышается вероятность задира и заклинивания поршня. Для двигателей Д-144 до 58% всех отказов по причине задира связано с заклиниванием поршня в районе ВМТ. Также, следует отметить, радиальные деформации цилиндра приводит к тому, что компрессионные кольца не повторяют профиль рабочей поверхности цилиндра, приводя к увеличению протечки рабочего тела из камеры сгорания на 20…25%. Исследование радиальных деформаций, возникающих при достижении двигателем рабочей температуры, показало, что нарушение макрогеометрии рабочей поверхности зеркала цилиндра происходит под действием усилия затяжки анкерных шпилек (рис. 2, кривые 2 и 3). Так при моменте затяжки M_з=80 Н·м радиальная деформация зеркала цилиндра в районе компрессионных колец при положении поршня в ВМТ достигает величины U_r =0,007 мм, в то время как при M_з=140 Н·м U_r возросло в 2 раза (рис. 2, кривые 1 и 2).

Рис. 2. Радиальные деформации U_r цилиндра двигателя Д144 вдоль образующей при θ = 0º: 1 и 2 – при M_з=80 и M_з=140 Н∙м соответственно и рабочей температуре; 3 – при M_з=140 Н∙м в холодном состоянии

Использование момента затяжки M_з=140 Н·м вызывает осевую деформацию цилиндра по верхней плоскости опорного бурта U_x=0,03 мм, что в 2 раза выше, чем при M_з=80 Н·м (рис. 3). Основная причина увеличения значения момента затяжки анкерных шпилек – необходимость повышения контактного давления между плоскостью опорного бурта и сопрягаемой поверхностью головки цилиндра, способного обеспечить надежность газового стыка.

Если принять коэффициент запаса плотности газового стыка υ=2,5…3, то при максимальном давлении в цилиндре p_z=7,5 МПа контактное давление должно быть не менее p_к=19…22,5 МПа. Это условие выполняется только при использовании момента затяжки M_з=140 Н·м. При M_з=80 Н∙м величина контактного давления снижается до p_к=10 МПа. Необходимо отметить, что величина p_к достигает наибольшего значения в районе шпилек, а зона с минимальным значением давления, где возможен прорыв газов, находится в сечении θ=180° (см. рис.1). Надежность газового стыка можно повысить за счет изменения конструкции головки цилиндров с целью увеличения ее жесткости, что позволит использовать меньшее значение момента затяжки анкерных шпилек для достижения требуемой надежности газового стыка.

Рис. 3. Условное давление механических потерь p_м.п. в двигателе Д-144 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала n при моментах затяжки шпилек: 1 – M_з=140 Н∙м; 2 – M_з= 80 Н∙м

Измерение условного давления механических потерь в двигателе Д144 при моментах затяжки анкерных шпилек M_з=80 и 140 Н∙м (рис. 3) выявило влияние деформации цилиндра на уровень потерь на трение. Для исследования причин роста потерь в ЦПГ разработана методика расчета силы трения в сопряжении «поршень-цилиндр», основанная на решении задачи теплопередачи и определения НДС методом конечных элементов, а также задачи гидродинамики методом конечных объемов. На основании расчетных и экспериментальных исследований были разработаны мероприятия по повышению технического уровня дизелей семейства ВТЗ.

Увеличение жесткости головки цилиндров позволит снизить момент затяжки анкерных шпилек до M_з=80…100 Н∙м, что в первую очередь уменьшит значения абсолютных диаметральных деформаций зеркала цилиндра до 0,01 мм. Эффект от такого снижения позволит в среднем на 5% снизить удельное давление механических потерь, увеличив эффективную мощность двигателя Д-144 на 3…4 кВт. Следует обратить внимание, что при этом удается на 5% снизить удельный расход топлива, а так же сократить вероятность отказа двигателя в связи с заклиниванием поршня в цилиндре в районе ВМТ, уменьшить шум и вибрации, связанные с вторичным движением поршня. Приведенный эффект является одним из направлений комплексного подхода к снижению механических потерь путем рационального конструирования деталей ЦПГ.