close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Голубенко Наталья Владимировна. Повышение эффективности работы системы смазки ДВС транспортных средств, работающих на газовом топливе, на примере двигателей КАМАЗ-820.60-260 и КАМАЗ-820.61-260

код для вставки
3
АННОТАЦИЯ
Выпускная квалификационная работа (ВКР) посвящена повышению
эффективности работы системы смазки газовых двигателей на основе мониторинга количественного и качественного состояния моторного масла в процессе эксплуатации для снижения числа отказов ДВС.
В ВКР проведен анализ понятия химмотологии моторных масел применительно к газовым двигателям.
Осуществлена оценка работоспособности системы смазки газового
двигателя путем выполнения поверочного теплового расчета при различных
условиях эксплуатации.
Научно обоснована необходимость применения моторных масел с дополнительными параметрическими характеристиками для ДВС, работающих
на газообразном топливе.
В процессе выполнения ВКР подготовлена заявка на выдачу патента на
полезную модель «Устройство для контроля моторного масла в двигателе
внутреннего сгорания». Предлагаемая система контроля состояния моторного масла в ДВС позволяет повысить точность контроля моторного масла за
счет одновременного определения его качества и количества при простоте
отслеживания в условиях эксплуатации.
Содержание
Введение ................................................................................................................... 6
1 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ........................................................ 10
1.1 Преимущества и проблемы эксплуатации транспорта с газовыми
двигателями на примере газобаллонной техники ОАО «КАМАЗ» ................. 10
1.2 Конструктивные особенности газового двигателя, на примере двигателей
КАМАЗ-820.60-260 и КАМАЗ-820.61-260 ......................................................... 14
1.3 Общий вид двигателей КАМАЗ-820.60-260, КАМАЗ-820.61-260 ............. 17
1.4 Преимущества и особенности газового двигателя КамАЗ ......................... 18
1.5 Система смазки газовых двигателей КАМАЗ 820.60 .................................. 19
1.6 Влияние изменения свойств моторных масел на процессы износа
двигателя внутреннего сгорания ......................................................................... 22
1.7 Основные факторы, влияющие на изменение состояния моторных масел
при их эксплуатации ............................................................................................. 24
1.8 Взаимосвязь физико-химических показателей работающего моторного
масла и технического состояния двигателя ........................................................ 27
1.9 Повышение эффективности ДВС посредством мониторинга состояния
моторных масел в условиях эксплуатации ......................................................... 31
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ГАЗОВОГО ДВС 37
2.1 Поверочный тепловой расчет газового двигателя ......................................... 37
2.1.1 Выбор исходных величин теплового расчета ............................................. 37
2.1.2 Расчет параметров рабочего тела ................................................................. 38
2.1.3 Расчет параметров окружающей среды и остаточных газов ................... 39
2.1.4 Расчет процесса впуска ................................................................................. 40
2.1.5 Расчет процесса сжатия ................................................................................ 42
2.1.6 Расчет процесса сгорания ............................................................................. 44
2.1.7 Расчет процесса расширения ........................................................................ 45
2.1.8 Расчет процесса выпуска .............................................................................. 46
2.1.9 Расчет индикаторных параметров рабочего цикла ..................................... 46
4
2.1.10 Расчет эффективных показателей двигателя............................................. 47
2.1.11 Расчет основных параметров цилиндра и двигателя ................................ 48
2.1.12 Построение индикаторной диаграммы двигателя .................................... 50
2.1.13 Скоростные характеристики двигателя внутреннего сгорания ............... 55
2.1.14 Расчет теплового потребления системы смазки...................................... 59
2.1.15 Описание теплового расчета ..................................................................... 62
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СМАЗОЧНОЙ
СИСТЕМЫ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ............................................................. 64
3.1 Опыт эксплуатации ГБА ОАО «КАМАЗ» в г. Белгороде .......................... 64
3.2 Совершенствование обслуживания системы смазки газовых ДВС путем
мониторинга количественного и качественного состояния моторного масла в
условиях эксплуатации ......................................................................................... 67
3.2.1 Специфика применения моторных масел для газового двигателя ......... 67
3.2.2 Мониторинг качественного состояния моторного масла в условиях
эксплуатации .......................................................................................................... 71
3.2.3 Контроль температурного режима и количественного изменения
моторного масла в условиях эксплуатации ........................................................ 75
3.2.4 Оценка патентного задела по устройствам контроля моторного масла 80
3.2.5 Восстановление работоспособности моторных масел в условиях
эксплуатации .......................................................................................................... 85
4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ
КОНТРОЛЯ
МОТОРНОГО
МАСЛА
ДЛЯ
ТРАНСПОРТНЫХ
СРЕДСТВ, РАБОТАЮЩИХ НА ГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ ................................ 89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 94
Список использованных источников .................................................................. 96
ПРИЛОЖЕНИЯ ........................................... Ошибка! Закладка не определена.
5
Введение
Выпускная квалификационная работа выполнена в рамках проблемного
поля направления 23.04.03 «Эксплуатация транспортно-технологических
машин и комплексов».
Актуальность темы
Одним из перспективных способов улучшения экологической обстановки и уменьшения затрат на традиционные топлива является перевод части
транспортных средств на газообразное топливо. Различают следующие газообразные топлива для автомобилей и подвижной наземной техники:
− компримированный (или сжатый) природный газ (метан) (КПГ);
− сжиженный природный газ (метан) (СПГ);
− сжиженный нефтяной газ (СНГ), называемый также сниженный углеводородный газ (СУГ), пропан-бутановая смесь.
Природный газ (метан) является наиболее экономичным, экологичным и
безопасным автомобильным топливом. Использование КПГ и СПГ в качестве
моторного топлива на автотранспорте – стратегически важное направление
развития нефтегазохимического комплекса Российской Федерации. В России
газовые двигатели имеют следующие автопроизводители: КАМАЗ, ГАЗ,
ПАЗ, НЕФАЗ. Для эффективного решения транспортных задач, стоящих перед российскими автоперевозчиками, ОАО «КАМАЗ» ведет активную работу
по производству газобаллонных грузовых автомобилей и автобусов. Яркий
пример тому  запуск в серийное производство новых газомоторных автомобилей КАМАЗ и автобусов НефАЗ.
С точки зрения температурного режима работа двигателя внутреннего
сгорания (ДВС) на газовом топливе сопряжена с более высокими температурными нагрузками в сравнении с бензиновым ДВС, что сказывается на его
работоспособности. Работоспособность двигателей во многом зависит от
правильного функционирования смазочной системы, т.е. ее способности выполнять свою основную функцию  минимизировать изнашивание сопря6
женных деталей за счет нормализации режимов трения между ними, а также
исключать термические деформации наиболее нагруженных элементов путем
отвода от них избыточного тепла.
Моторное масло является важным объектом химмотологии и рассматривается как элемент конструкции двигателя, качество которого непосредственно влияет на эффективность работы системы смазки и надежность ДВС.
Химмотология моторных масел призвана оперативно и объективно прогнозировать состояние двигателя по изменению технических характеристик работающего масла. Указанный подход позволяет получить в крайне сжатые
сроки объективное представление о поведении системы «моторное масло 
ДВС». Оценка изменений состава масла может быть как качественной, так и
количественной. Количественные изменения происходят при испарении легких масляных фракций, сгорании масла (угар масла), частичном вытекании
через уплотнения. Качественные изменения связаны с окислением масла и с
химическими превращениями его компонентов, попаданием в масло пыли,
продуктов износа деталей, воды и несгоревшего топлива. Уменьшение количества и ухудшение качества работающего моторного масла может привести
к выходу современного высокофорсированного двигателя из строя.
Своевременная замена масла и поддержание его соответствующего
уровня являются ключом к нормальной и продолжительной работе двигателя. Таким образом, повышение эффективности работы системы смазки газового двигателя возможно на основе мониторинга количественного и качественного состояния моторного масла в процессе эксплуатации.
Все вышеизложенное доказывает актуальность ВКР «Повышение эффективности работы системы смазки ДВС транспортных средств, работающих
на
газовом
топливе,
на
примере
двигателей
КАМАЗ-820.60-260 и КАМАЗ-820.61-260».
Цель работы – повышение эффективности работы системы смазки газового двигателя на основе мониторинга количественного и качественного
7
состояния моторного масла в процессе эксплуатации для снижения числа отказов ДВС.
Объект исследования – химмотология моторных масел, работающих в
газовых двигателях автобусов и коммунальной техники.
Предмет исследования – количественное и качественное состояние
моторного масла в процессе эксплуатации газовых двигателей КАМАЗ820.60-260 и КАМАЗ-820.61-260.
В качестве гипотезы принято предположение о том, что постоянный
мониторинг качественного и количественного состояния моторного масла в
процессе эксплуатации газовых ДВС позволит повысить долговечность и работоспособность элементов системы смазки, что позволит уменьшить число
неисправностей и поддерживать технически исправное состояние двигателя
внутреннего сгорания.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на
основе теории технической эксплуатации автомобилей, теории двигателей
внутреннего сгорания, теории надежности, химмотологии, химической кинетики. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных методик и соответствующего оборудования.
Задачи исследования:
1. Аналитические исследования в сфере эксплуатации транспорта с газовыми двигателями на примере газобаллонной техники ОАО «КАМАЗ».
2. Исследование конструктивных особенностей системы смазки газовых двигателей.
3. Оценка влияния качественного и количественного состояния моторных масел на эффективность функционирования смазочной системы газовых
двигателей.
4. Исследование особенностей работы моторных масел в газовых двигателях.
8
5. Оценка работоспособности системы смазки газового двигателя путем
выполнения поверочного теплового расчета при различных условиях эксплуатации.
6. Разработка устройства контроля моторного масла в газовом двигателе.
7. Обоснование эффективности проведения мониторинга количественного и качественного и состояния моторного масла, направленного на предупреждение возникновения неисправностей системы смазки газовых ДВС.
Апробация результатов диссертации
Положения и результаты работы были доложены и обсуждены на
научно-технических конференциях и научно-практических семинарах.
По результатам выполненных исследований опубликовано 14 научных
статей в различных периодических изданиях, по докладам на научнопрактических конференциях получено 2 сертификата. По результатам выполненных работ подана заявка на полезную модель «Устройство для контроля моторного масла в двигателе внутренненго сгорания.
Структура и объем выпускной квалификационной работы
ВКР состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Пояснительная записка составлена на 100с.
9
1 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В ходе работы был произведен поиск литературных источников по вопросам эксплуатации транспорта, работающего на газовом топливе, а также
по вопросам химмотологии моторных масел, применительно к газовым ДВС.
Изучению закономерностей изменения состояния моторных масел и их
влияния на техническое состояние двигателей в процессе эксплуатации посвящены работы: Арабяна С.Г., Брай И.В, Григорьева М.А., Венцеля С.В.,
Бунакова Б.М., Папок К.К., Шор Г.И., Виппер А.Б., Фукс И.Г., Картошкина
А. П., Васильевой Л. С., Зорина В.А., Бочарова В.С., Севрюгиной Н.С., Нигматуллина Р.Г., Чудиновских А.Л. и др.
Произведен поиск информации из книг, из статей в журналах, авторефератов диссертаций, из ГОСТов, электронных публикаций.
1.1 Преимущества и проблемы эксплуатации транспорта с газовыми двигателями на примере газобаллонной техники ОАО «КАМАЗ»
На сегодняшний день природный газ является наиболее приемлемой
альтернативой нефтяным моторным топливам по экономическим, ресурсным
и экологическим характеристикам. В пользу использования природного газа
выступает его ресурсная обеспеченность. По различным оценкам запасов
нефти должно хватить на 40–60 лет, а газа – на 100–150 лет [22].
Минтранс РФ разработал проект государственной программы «Расширение использования природного газа в качестве моторного топлива на
транспорте и техникой специального назначения». Программа включает 5
подпрограмм по сегментам транспортного рынка (автомобильный транспорт,
железнодорожный транспорт, морской и речной транспорт, воздушный
транспорт, техника специального назначения), еще 1 подпрограмму – по организации и обеспечению реализации правовой, научной и информационной
политики в сфере использования газомоторного топлива (ГМТ). Для ее реализации потребуется 769,6 млрд. руб., из них 163 млрд. руб. должен выде10
лить федеральный бюджет. Цели Программы – стимулирование перехода
транспорта на использование газомоторного топлива для повышения эффективности функционирования транспортных средств за счет снижения себестоимости перевозок и уменьшения негативного воздействия на окружающую среду и здоровье населения. Срок реализации Программы – 2018-2022
годы. В части автомобильного транспорта планируется к 2020 году увеличить объем потребления ГМТ в 3 раза по отношению к уровню 2015 года, в
т.ч. КПГ – в 2,7 раза, СПГ – до 162 млн. м3. К 2022 году планируется в 3 раза
нарастить парк автотранспорта на газе и в 3,2 раза увеличить число газозаправочных станций [38]. Таким образом, Программа должна обеспечить: поэтапный переход автотранспортных средств на использование газомоторного
топлива; синхронизированное развитие парка газомоторных автотранспортных средств, мощностей по производству газомоторного топлива, газозаправочной и сервисной инфраструктуры; стимулирование исследований по разработке и производству автотранспортных средств, использующих газомоторное топливо.
Данные задачи необходимо решать в комплексе: сегодня региональные
власти разрабатывают необходимую законодательную базу и закупают
транспорт на метане, автопроизводители расширяют модельный ряд новыми
образцами газомоторной техники, перевозчики предпринимают шаги по эффективной эксплуатации газомоторного транспорта, энергетики обеспечивают строительство и ввод в эксплуатацию объектов заправки автотранспорта
природным газом  АГНКС (автомобильных газонаполнительных компрессорных станций) и КриоАЗС (криогенных автомобильных заправочных станций).
Производство и реализация природного газа в качестве моторного топлива – стратегическое направление деятельности ПАО «Газпром». Для системной работы по развитию рынка газомоторного топлива создана специализированная компания – ООО «Газпром газомоторное топливо», которая
11
более 10 лет занимается популяризацией в России газомоторного топливного
комплекса. Компания сотрудничает с поставщиками газозаправочного оборудования, с органами государственного и муниципального управления, экономическими и научными центрами, международными организациями и зарубежными партнерами, создает новые объекты инфраструктуры в разных
регионах страны. Компания «Газпром газомоторное топливо», как единый
оператор по развитию рынка газомоторного топлива в России, готово обеспечить строительство и ввод в эксплуатацию АГНКС, многотопливных автомобильных заправочных станций. В случае необходимости будет предусмотрена возможность заправки техники с помощью передвижных автомобильных газовых заправщиков. За последние три года общий объем инвестиций
«Газпрома» в газозаправочные комплексы превысил 10 млрд. руб. При участии Газпрома и Минэнерго в 69 субъектах Российской Федерации уже открыто порядка 320 газозаправочных станций, из которых более 80 расположены в городах проведения чемпионата мира по футболу. На карте АГНКС,
представленной на сайте компании «Газпром газомоторное топливо», отмечены метановые газовые заправки, принадлежащие данной компании, а также частные станции, на территории РФ (рисунок 1.1). Представленная карта
АГНКС позволяет узнать, где сегодня можно заправиться компримированным природным газом. Перечень метановых заправок постоянно увеличивается, и карта регулярно обновляется [20].
Рисунок 1.1  Карта АГНКС, территория РФ
12
В России газовые двигатели имеют следующие автопроизводители:
КАМАЗ, ГАЗ, ПАЗ, НЕФАЗ. Для эффективного решения транспортных задач, стоящих перед российскими автоперевозчиками, ОАО «КАМАЗ» ведет
активную работу по производству газобаллонных грузовых автомобилей и
автобусов. Яркий пример тому  запуск в серийное производство новых газомоторных автомобилей КАМАЗ и автобусов НефАЗ. Для реализации этой
программы конструкторы применили оригинальные технические решения,
отлично зарекомендовавшие себя в эксплуатации (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 – Системные решения ОАО «КАМАЗ» по ГБА
Современные газобаллонные автомобили КАМАЗ укомплектованы газовыми двигателями – двигателями, разработанными специально для работы
исключительно на КПГ – метане.
Эффективность владения самосвалом КАМАЗ-65115, оснащенным газобаллонным оборудованием, подтверждают следующие расчеты. Газовый
автомобиль дороже дизельного примерно на 200 тыс. руб. Однако стоимость
компримированного природного газа в 2 – 3 раза ниже стоимости дизельного
топлива. При этом по расходу топлива м3 метана эквивалентен 1 л дизтоплива. Соответственно сокращаются и расходы на транспортные перевозки. При
сравнении КАМАЗ-65115 с газовым и дизельным двигателями за год эксплуатации экономия только на топливе составила 740 тыс. руб. Таким образом,
разница в цене автомобилей окупается за 3 месяца (рисунок 1.3, 1.4).
13
Рисунок 1.3 – Сравнительный анализ эксплуатационной эффективности по
топливу самосвала КАМАЗ-65115 с газовым двигателем и дизелем
Рисунок 1.4 – Сравнительный анализ эксплуатационной эффективности
по топливу автобуса с газовым двигателем и дизелем
Кроме того, газобаллонным автомобилям КАМАЗ для обеспечения минимального содержания токсичных веществ в выхлопных газах не требуются
раствор AdBlue и дорогостоящие системы катализации, что означает дополнительную экономию средств при эксплуатации.
1.2 Конструктивные особенности газового двигателя, на примере
двигателей КАМАЗ-820.60-260 и КАМАЗ-820.61-260
Перспективные требования в отношении выброса вредных веществ реализуютсяпосредством усовершенствования силовых установок, работающих
на традиционных нефтяных топливах, и применения альтернативных тмотрных топлив. На ОАО «КАМАЗ» в 1999 г. была начатаразработка ДВС, рабо14
тающих на компримированном природном газе. За основу разработки газового двигателя КамАЗ инженеры взяли дизельный двигатель КАМАЗ-740.50360, оснащенный турбонаддувом и промежуточным охлаждением надувочного воздуха, и внесли в его конструкцию следующие изменения: для получения оптимальной для горения газа степени сжатия 12,0 была изменена геометрия поршня; головки цилиндров доработаны под установку свечей зажигания и газовых электромагнитных дозаторов; установлены газовый фильтр с
системой подвода газа к газовым дозаторам, применены бесконтактная система зажигания, а также дроссельная заслонка с электроприводом и датчиком ее положения. Отличительная особенность газовых двигателей КамАЗ
заключается в распределенной фазированной подаче газа во впускной тракт
каждого цилиндра, позволяющей корректировку состава топливовоздушной
смеси индивидуально для каждого цилиндра, что позволяет получить минимальные выбросы вредных веществ.
На сегодняшний день КАМАЗ производит две модели газового двигателя:
- КАМАЗ-820.60 (модификации 820.60-260 для грузовых автомобилей
и 820.61-260 для автобусов, мощность 260 л.с.);
- КАМАЗ-820.70 (модификации 820.72-240, 820.73-300 и 820.74-300
мощностью 240, 300 и 300 л.с. соответственно).
Оба двигателя V-образные восьмицилиндровые, оборудованы турбокомпрессором и соответствуют экологическим нормам «Евро-4».
Технические
характеристики
газовых
двигателей
уровня
Евро-4:
- минимальный удельный расход топлива 150 г/л.с.∙ч;
- расход масла на угар не более 0,1% от расхода топлива;
- ресурс не менее 800 тыс. км пробега автомобиля.
Двигатели транспортные газовые КАМАЗ-820.60-260, КАМАЗ-820.61260 не имеют конструктивных различий, различаются размещением навесно15
го оборудования: маслоналивной горловины, фильтра очистки газа, турбокомпрессора.
Технические характеристики двигателей приведены в таблице 1.1 [39].
Таблица 1.1 – Технические характеристики двигателей КАМАЗ-820.60260, КАМАЗ-820.61-260
Наименования основных параметров и размеров
Значения параметров и размеров
820.60-260
820.61-260
Четырехтактный с принудительным искровым зажиганием
Число и расположение цилиндров
V-8, с углом развала 900
Порядок работы цилиндров
1-5-4-2-6-3-7-8
Диаметр цилиндра и ход поршня, мм
120130
Рабочий объем цилиндров, л
11,76
Степень сжатия
12,0
Номинальная мощность, кВт (л.с.), не менее
191 (260)
-1
Номинальная частота вращения коленчатого вала, мин
2200
Частота вращения коленчатого вала, соответствующая 1300…1500
максимальному крутящему моменту, мин-1
1078 (110)
931 (95)
Максимальный крутящий момент, Нм (кгсм)
Количество клапанов в головке цилиндров
2 (впускной и выпускной)
Зазоры на холодном двигателе, между коромыслами и
стержнями клапанов, мм:
- впускных
0,25…0,30
- выпускных
0,35…0,40
Система наддува
Газотурбинная с двумя турбокомпрессорами и ОНВ типа «воздухвоздух». Управление давлением
наддувочного воздуха осуществляется
электронным
блоком
управления двигателем.
Свеча зажигания
BRISK Silver LR15YS или
LR14YS
Искровой зазор между контактами, мм
0,3…0,4
Микропроцессорный блок управления
М 20
Катушки зажигания
27.3705
Наименования основных параметров и размеров
Значения параметров и размеров
2
Давление масла в прогретом двигателе МПа, (кгс/см ):
- при номинальной частоте вращения коленчатого вала
0,4…0,54 (4,0…5,5)
- при минимальной частоте вращения коленчатого вала
0,1 ( 1 )
Фильтр очистки масла
7406.1012010, ТУ 37.104.177-93
Элемент фильтрующий (полнопоточный)
7405.1012040, ТУ 37.104.176-93
Элемент фильтрующий (частично-поточный)
7405.1017040-02, ТУ 37.104.176-93
Элемент фильтрующий очистки газа
7405.1017040-02, ТУ 37.104.17693
Тип двигателя
16
Температура охлаждающей жидкости на выходе из дви- 75…95
гателя должна быть, ºС
Термостат
ТС-107-01, ТУ 37.003.1275-85
Генератор (в зависимости от комплектации двигателя)
Генератор модели Г-273В, ТУ 37.003.790-85
трехфазный синхронный, переменного тока, со встроенным выпрямительным блоком
- номинальный ток, А
28
- номинальное выпрямленное напряжение, В
28
- номинальная мощность, кВт
0,8
Генератор модели 3122,3771, ТУ 37.463.155-88
- номинальный ток, А
80
- номинальное выпрямленное напряжение, В
28
- номинальная мощность, кВт
2
Генератор модели 8192.3701-10, ТУ 37.451.028-92
- номинальный ток, А
120
- номинальное выпрямленное напряжение, В
28
- номинальная мощность, кВт
3
Стартер СТ 142 Б1 или СТ 142-10 по ТУ 37.003.1375-88 постоянного тока, последователь(в зависимости от комплектации двигателя)
ного возбуждения, с электромагнитным приводом.
- номинальная мощность, кВт
8,2
Номинальные габаритные и присоединительные размеры двигателей должны соответствовать габаритным чертежам согласованным с потребителем в установленном порядке.
Комплект: - кольца поршневые
740.30-1000106-01
Комплект: - гильза цилиндра с поршнем, поршневым 820.52-1000128-01
пальцем, кольцами
Турбокомпрессор
S200G/2471NBAKB/58WK10,64A/R “Schwitzer”
1.3 Общий вид двигателей КАМАЗ-820.60-260, КАМАЗ-820.61-260
Общий вид двигателей КАМАЗ-820.60-260, КАМАЗ-820.61-260 показывают расположение основных деталей и узлов, а также навесных агрегатов
(рисунок 1.5, 1.6).
Рисунок 1.5 – Общий вид газового двигателя 820.60-260
17
1 – катушки зажигания 2 – вентиляция картера; 3 – компрессор; 4 – фильтр очистки газа; 5
– картер агрегатов; 6 – турбокомпрессор; 7 – маховик; 8 – картер маховика; 9 – коленчатый вал; 10 – масляный картер; 11 – форсунка охлаждения поршня; 12 – масляный насос;
13 – гаситель крутильных колебаний; 14 – шкив привода водяного насоса и генератора; 15
– вентилятор с вязкостной муфтой; 16 – блок управления; 17 – жгут проводов.
Рисунок 1.6 – Продольный разрез двигателя 820.60-260
(основная комплектация)
Автобусная комплектация газового двигателя 820.61-260 разработана
на базе автобусной комплектации дизельного двигателя. Конфигурация моторного отсека не позволила использовать традиционное расположение турбокомпрессора (ТКР) на двигателе, в связи с чем конструкция двигателя имеет переднее (со стороны шкивов коленчатого вала) расположение ТКР.
Двигатель 820.61-260 предназначен для установки на шасси КАМАЗ5297 автобусов НЕФАЗ. По уровню выбросов вредных веществ с отработавшими газами соответствует требованиям Правил 49-04 ЕЭК ООН (уровень
Евро-4).
1.4 Преимущества и особенности газового двигателя КамАЗ
Газовый двигатель КамАЗ имеет следующие преимущества и особенности:
18
− улучшение экологии за счет отсутствия выбросов сажи в продуктах
сгорания и снижение шумности при работе из-за более мягкого сгорания при
пониженной степени сжатия;
− отсутствие смыва масла со стенок гильзы цилиндра, нагарообразования, закоксовывания колец, как следствие, уменьшенный износ цилиндропоршневой группы;
− газовая аппаратура на двигателе проще и дешевле, чем прецизионная дизельная, т.е. уменьшение расходов на обслуживание.
Главное достоинство газовых двигателей КамАЗ – высокая степень
унификации их конструкции с дизельными двигателями.
1.5 Система смазки газовых двигателей КАМАЗ 820.60
Система смазки газовых двигателей КАМАЗ 820.60 (рисунок 1.7) комбинированная, с «мокрым» картером, состоящая из масляного насоса, фильтра очистки масла, водомаслянного теплообменника, картера масляного,
маслоналивной горловины, направляющей трубки и указателя уровня масла.
1 – насос масляный; 2 – клапан; 3 – фильтр; 4 – перепускной клапан; 5 –
частично–поточный фильтроэлемент; 6 – водомасляный теплообменник; 7, 8
и 9 – приборы контроля; 10 – форсунки охлаждения поршней; 11 – термоклапан; 12 – полнопоточный фильтроэлемент; 13 – картер масляный; 14 – клапан
предохранительный.
Рисунок 1.7 – Схема смазочной системы
19
Двигатели различной комплектации отличаются по форме масляного
картера, расположению и глубине копильника масла, в связи с чем масляный
насос может иметь различные маслозаборники. Маслозаливная горловина и
указатель уровня масла в двигателях могут быть расположены в передней
крышке или картере маховика.
В связи с работой отдельных деталей двигателя в разных условиях, их
смазка также должна различаться: наиболее нагруженные детали смазываются маслом, подающимся под давлением, менее нагруженные  подающимся
самотеком или разбрызгиванием. При работе двигателя из картера 13 масляный насос 1 подает масло под давлением в фильтр очистки масла 3 и через
водомасляный теплообменник 6 в главную магистраль, а далее к коренным и
шатунным подшипникам коленвала, поршневым пальцам, опорам и кулачкам
распредвала, оси коромысел привода клапанов. Масло также подается под
давлением к валу турбокомпрессора, на внутреннюю поверхность поршней
для их охлаждения и в гидротолкатели клапанов. На поверхности цилиндров
масло попадает путем разбрызгивания через отверстия в нижней головке шатуна или форсунки в нижней части блока цилиндров. При попадании масла
на стенки цилиндров снижается трение при движении поршня и обеспечивается свобода перемещения компрессионных и маслосъемных колец. В смазочную систему также включены клапан 2 системы, который обеспечивает
давление в главной масляной магистрали 392…539 кПа (4,0…5,5 кгс/см2) при
номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя и температуре
масла 80…95 °С, перепускной клапан 4, отрегулированный на срабатывание
при перепаде давления на фильтре 147…216 кПа (1,5…2,2 кгс/см 2) и термоклапан 11 включения водомасляного теплообменника. При температуре масла ниже 95 °С, клапан находится в открытом состоянии, что позволяет сновному потоку масла поступать в двигатель, минуя теплообменник. При температуре масла более 110 °С, термоклапан находится в закрытом состоянии,
что заставляет весь поток масла проходить через теплообменник и охла20
ждаться водой. Таким образом, происходит быстрый прогрев двигателя при
запуске и поддерживается оптимальный температурный режим в процессе
эксплуатации. Конструктивно термоклапан расположен в корпусе масляного
фильтра. Максимальная температура масла в системе смазки – 120 °С. Контроль теплового режима двигателя осуществляется посредством датчиков
температуры. Со смазанных под давлением деталей капли масла падают в
поддон. Попадая на вращающиеся части кривошипно-шатунного механизма,
капли масла разбрызгиваются и создают в картере масляный туман, который
оседает на деталях двигателя, обеспечивая их смазку. Осажденное масло затем стекает в поддон картера, и таким способом обеспечивается непрерывная
циркуляция масла в системе смазки.
Конструкция кривошипно-шатунного механизма дополнена форсунками охлаждения поршня (рисунок 1.8).
1 – форсунка охлаждения поршня; 2 – корпус клапана; 3 – блок цилиндров; 4 – кольцо уплотнительное гильзы нижнее; 5 – кольцо уплотнительное
верхнее; 6 – гильза цилиндра.
Рисунок 1.8  Установка гильзы цилиндра и уплотнительных колец
Форсунки охлаждения устанавливаются в картерной части блока цилиндров и обеспечивают подачу масла из главной масляной магистрали, при
достижении в ней давления 80…120 кПа (0,8...1,2 кг/см2), на внутреннюю полость поршней.
21
1.6 Влияние изменения свойств моторных масел на процессы износа двигателя внутреннего сгорания
Смазочное масло значительно влияет на процесс износа деталей. Смазочный материал, являясь конструктивным элементом и обладая теми же
свойствами что и детали, изнашивается, меняя свои свойства и в определенный момент становясь неработоспособным и неремонтопригодным.
На практике, применительно к моторным маслам, типичными являются
адгезионный, коррозионный (химический, коррозионно-механический), абразивный и усталостный (питтинг) виды износа. Возможны также задиры и
реже заедание. Абразивный износ является следствием попадания между
трущимися поверхностями абразивных частиц, имеющих большую твердость, чем твердость поверхности трения, и пластически деформирующих
поверхности трения, образуя на них риски и царапины. Абразивный износ,
как правило, определяется условиями эксплуатации техники в запыленной
атмосфере, не исключающей возможность попадания в масло абразивных частиц (песок, кварц и т.п.). Коррозия рассматривается как физико-химическое
взаимодействие металла со средой (маслом). Атмосферную коррозию черных
металлов под действием влаги относят к ржавлению. Усталостный износ связан, преимущественно, с особенностями конструкции и условиями работы
узла трения (ударные нагрузки, проскальзывание контактируемых деталей и
пр.). Химический износ зависит от повышенной химической активности масла по отношению к отдельным конструкционным материалам. Механический
износ происходит в результате механических воздействий.
В целом, результаты перечисленных выше процессов через моторное
масло оказывают непосредственное влияние на надежность двигателя. Так,
например, невысокие смазочные свойства масла приводят к появлению повышенных износов сопряженных узлов и деталей двигателя. Этому способствует также повышенная коррозионная или химическая активность масла.
22
Низкая стойкость масла к окислению провоцирует образование в двигателе
большого количества различного рода отложений (нагар, лак, шлам).
На рисунке 1.9 изображена зависимость износа узла трения от пробега
автомобиля на одном масле.
Самым продолжительным и стабильным является период II (устойчивая работа), износ практически не наблюдается. Именно поэтому очень важно знать ресурс масла, время его замены. Если промедлить или поторопиться
с заменой масла, то процесс изнашивания двигателя увеличивается. Использование качественного масла, правильность его подбора, наряду с правильной эксплуатацией, и своевременной заменой поможет существенно продлить ресурс автомобиля.
I – приработка (обкатка); II – устойчивая работа; III – аварийный износ
Рисунок 1.9  Зависимость износа в узле трения от пробега автомобиля
до замены масла.
При снижении качества моторного масла процессы износа деталей
ДВС интенсифицируются, что ведет к уменьшению надежности самого силового агрегата и автомобиля в целом. Таким образом, смазочное масло, изменяя свои свойства, является важнейшим фактором износа. В некоторых случаях смазочный материал становится причиной активации износа, или даже
выхода из строя деталей машин, целых узлов и агрегатов.
23
1.7 Основные факторы, влияющие на изменение состояния моторных масел при их эксплуатации
В процессе эксплуатации моторное масло выполняет функции накопителя продуктов износа и загрязнений, образующихся при работе двигателя, а
это приводит к изменению основных показателей качества масла, что снижает: эффективность работы системы смазки и работоспособность ДВС.
Вентиляция картера играет важную роль в функционировании смазочной системы двигателя, выводя воду (в виде паров) и продукты неполного
сгорания из картера на дожиг (рисунок 1.10).
1 – корпус воздушного фильтра; 2 – фильтрующий элемент; 3 – всасывающий коллектор вентиляции картера; 4 – карбюратор; 5 – впускной трубопровод; 6 – впускной клапан; 7 – шланг вентиляции картера; 8 – маслоотделитель; 9 – сливная трубка маслоотделителя; 10 – картер двигателя; 11 – поддон картера.
Рисунок 1.10  Схема вентиляции картера
Если воздушный фильтр неисправен (неплотно сидит в корпусе, загрязнен, имеет дефекты), то в камеру сгорания вместе воздухом попадает
24
пыль. Засоренный фильтр не подает нужного количества воздуха в камеру
сгорания, что также ведет к увеличению содержания продуктов неполного
сгорания топлива и ухудшению вентиляции картера.
Также причинами образования в масле механических примесей могут
быть: неполное сгорание топлива, неисправности системы зажигания, загрязнение магистралей фильтров, дефекты выхлопной системы. Все это может
привести к: нарастанию сажи и нагара на клапанах и поршнях, ухудшению
теплообмена, повышенному износу, повышению расхода топлива, ухудшению компрессии. При неисправности воздушного фильтра в камеру сгорания
попадает пыль. Пыль приводит к износу поршня, компрессионных и маслосьемных колец, гильз цилиндров, образуются зазоры, через которые в масло
проникают продукты неполного сгорания, пыль, частицы износа, топливо
(рисунок 1.11).
1 – поршень; 2 – блок цилиндров; 3 – головка блока цилиндров; 4 –
охлаждающая жидкость; 5 – выпускной клапан; 6 – впускной клапан; 7 – свеча зажигания; 8 – топливная форсунка; 9 – картер; 10 – топливо; 11 – масло.
Рисунок 1.11  Последствия износа поршня
25
Недостаточная вентиляция картера (неисправность коллектора или загрязненность воздушного фильтра) наряду с проникающей пылью (различные дефекты и неисправности воздушного фильтра) ведет к более тяжелым
последствиям для ДВС. Загрязнение абразивными частицами (пылью) зависит от концентрации в масле кремния – основного элемента абразивных частиц. Как известно, абразивные частицы, попадая в двигатель, приводят к износу металлических частей двигателя. Частицы разных размеров оказывают
различное влияние на износ, также на износ существенно влияет концентрация частиц. При высокой их концентрации в масле мелкие частицы могут
влиять на износ и истирание столь же активно, как и крупные.
Попадание пыли внутрь двигателя и далее в масло приводит к изнашиванию узлов трения. Причинами наличия в масле охлаждающей жидкости
могут быть: дефектные уплотнения или корродирующие места пайки масляного радиатора, дефектная прокладка головки блока, микротрещины в рубашке охлаждения. Все эти причины приводят к серьезным повреждениям
двигателя. Присутствие микротрещин в рубашке охлаждения ведет к попаданию охлаждающей жидкости в работающее масло, ухудшая его работоспособность (рисунок 1.12). Если данные дефекты, возникшие в системе охлаждения, своевременно не устранят, ДВС может выйти из строя.
Примеси, попавшие в масло извне (охлаждающая жидкость, вода, твердые частицы), как правило, в разной степени ускоряют развитие тех или
иных нежелательных процессов, что в конечном итоге приводит к снижению
надежности двигателя.
Таким образом, в процессе эксплуатации ДВС моторное масло теряет
свои свойства, т.е. стареет. На старение работающих моторных масел и состояние двигателя оказывают влияние различные факторы, которые можно
разделить на эксплуатационные, климатические и конструкционные [49].
26
1 – поршень; 2 – блок цилиндров; 3 – головка блока цилиндров; 4 –
охлаждающая жидкость; 5 – выпускной клапан; 6 – впускной клапан; 7 – свеча зажигания; 8 – топливная форсунка; 9 – картер; 10 – топливо; 11 – масло
Рисунок 1.12  Последствия микротрещин в рубашке охлаждения
На качество моторного масла влияют условия его работы, свойства
применяемого масла, теплонапряженность двигателей, вместимость смазочной системы и кратность циркуляции масла, срок службы моторного масла,
конструкция маслоочистительных устройств, степень загрузки и уровень
форсирования двигателей, своевременность проведения технического обслуживания, содержание серы в топливе и т. д. Однако основным фактором,
влияющим на качество моторного масла, является тепловая и динамическая
напряженность деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя.
1.8 Взаимосвязь физико-химических показателей работающего моторного масла и технического состояния двигателя
При работе ДВС в маслах происходит активное развитие термохимических процессов, приводящих к снижению качества масел, в связи со срабатыванием присадок и накоплением в смазочном материале продуктов превращений (нерастворимых продуктов, органических кислот и др.). На старение
27
масел значительно влияют особенности конструкции ДВС и специфика рабочего процесса, протекающего в нем. В процессе работы ДВС АТС моторное
масло подвергается ряду сложных физико-химических изменений, в результате которых ухудшаются его основные эксплуатационные свойства и физико-химические показатели качества, что является причиной его замены.
Физико-химические показатели работающего моторного масла являются показателями процессов, происходящих в ДВС.
Все процессы, протекающие в маслах, в условиях их применения, можно разделить на окисление, различного рода термические превращения и седиментацию. Указанные процессы вносят основной вклад в изменение состояния моторных масел, сопровождаемое снижением качества последних. В
свою очередь, результаты этих процессов сказываются на снижении надежности основных узлов и деталей двигателя через образование различного рода отложений, износ и коррозию деталей (рисунок 1.13) [49].
Рисунок 1.13  Основные процессы, протекающие в моторных маслах в
условиях применения, результаты которых влияют на надежность двигателя
Все процессы могут протекать либо последовательно, либо параллельно. В зависимости от условий применения они имеют разное влияние на изменение состояния моторного масла и состояния двигателя.
28
Загрязнения моторных масел по своей природе подразделяются на органические и неорганические. Частицами органических примесей (размером
2 мкм) являются продукты неполного сгорания топлива, образующиеся при
термическом разложении, окислении и полимеризации масла. Неорганическими загрязнениями являются: частицы пыли, попавшие в двигатель через
систему питания (с воздухом), продукты износа деталей – стружка, абразив
(размером 0,5 – 1 мкм), продукты срабатывания зольных присадок в маслах,
вода. При старении масла происходит окисление его углеводородных составляющих, срабатываются присадки, что ведет к изменению их физикохимических и эксплуатационных свойств: вязкости, температуры вспышки,
щелочного и кислотного числа, содержания нерастворимого осадка.
Увеличению вязкости моторных масел способствует испарение легких
фракций, накопление в нем продуктов неполного сгорания топлива и окисление углеводородов масла, уменьшению –попадание в масло топлива и разрушение состава вязкостных присадок. На повышение вязкости масла влияет
температура в зонах окисления, содержание серы в топливе, эффективность
фильтрации масла и попадание в него охлаждающей жидкости. Увеличение
вязкости ведет к снижению поступления масла к парам трения и эффективности фильтрации, а также ухудшению пусковых свойств двигателя.
Содержание в масле воды повышает коррозионность, снижает смазывающие свойства, что ведет к увеличению износа деталей, в связи с их коррозией при высоких температурах.
Щелочные присадки в масле служат для нейтрализации кислот и защиты от коррозии. Снижение концентрации моющих присадок ведет к уменьшению щелочного числа моторного масла и накоплению в масле кислых
продуктов, способствующих повышению износа деталей.
Ускорение степени окисления масла и разложение пакета присадок ведет к увеличению кислотного числа.
Количественным выражением интенсивности поступления в масло
продуктов неполного сгорания топлива, частиц износа, пыли, срабатывания
29
присадок является содержание нерастворимого осадка. В картере работающего двигателя формируется сложная смесь масла с продуктами его окислений, от которых полностью очистить масло фильтрацией не удается.
Взаимосвязь физико-химических показателей работающего моторного
масла и технического состояния ДВС в процессе эксплуатации представлены
в таблице 1.2 [36].
Таблица 1.2  Взаимосвязь показателей работающего моторного масла
и технического состояния ДВС
Показатель
Влияние изменения показателя на ДВС
Вязкость кинематическая При увеличении – ухудшение запуска двигателя, ухудшепри 100°С, мм2/с
ние прокачиваемости масла, ухудшение теплоотвода, повышенный износ деталей ЦПГ и коленчатого вала;
При уменьшении – уменьшение толщины масляной пленки, может привести к задирам
Кислотное
число,
мг При увеличении – уменьшение срока службы моторного
КОН/г
масла, повышенный износ деталей ЦПГ
Щелочное
число,
мг При уменьшении – ускоренный износ поршневых колец и
КОН/г
гильз цилиндров
Загрязненность, %
Содержание
не- При увеличении – образование отложений на деталях дви-
растворимого
гателя, ухудшение теплоотвода
осадка, %
Содержание
ханических
ме- При увеличении – повышенный износ коленчатого вала и
при- подшипников скольжения
месей, %
Содержание воды, %
При увеличении – образование на фильтрующих элементах
студенистого осадка, прекращение фильтрации моторного
Температура вспышки, °С
масла
При уменьшении – ускоряются процессы образования
нагаров и лаков, ухудшаются противоизносные свойства
моторного масла, повышается износ деталей двигателя
Такие физико-химические показатели качества моторного масла, как
вязкость, содержание нерастворимого осадка и щелочное число имеют боль30
шее количество взаимосвязей с другими показателями и несут наибольший
объем информации об изменении состояния моторного масла в процессе его
эксплуатации, и как следствие – говорят об изменении технического состояния ДВС.
1.9 Повышение эффективности ДВС посредством мониторинга состояния моторных масел в условиях эксплуатации
Повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) –
это увеличение работы, получаемой за счет сгорания единицы топлива, при
сохранении их высокой эксплуатационной надежности и долговечности, экономичности эксплуатации и простоты обслуживания. Одно из слагаемых этого сложного комплексного понятия – эффективность системы смазки. Она
должна выражаться в улучшении способности выполнять возложенные на
нее функции: смазывание узлов трения при минимальных потерях на трение;
снижение скорости изнашивания основных деталей; предотвращение образования лаков, нагаров, низкотемпературных осадков; уменьшение антикоррозионные воздействия, а также очистка масла в двигателях (фильтрация, центрифугирование). При этом должно быть обеспечено минимальное расходование смазочных материалов и затрат на обслуживание двигателей внутреннего сгорания.
Значительная часть отказов, наблюдаемых в процессе эксплуатации
ДВС, обусловлена плохой работой системы смазки и пар трения. Одним из
важных факторов эффективности применения ДВС является износостойкость
пар трения, зависящая не только от металлофизических характеристик поверхностей трения, но и от свойств смазочного масла, способов подачи к узлам трения, а также от конструкции системы смазки.
Повышение степени форсирования двигателей ведет к улучшению их
весовых и габаритных показателей. Важно отметить значительное увеличение мощности двигателя, приходящейся на единицу объема масла в картере,
31
увеличение температуры масла в картере и снижение его расхода на сгорание
в цилиндрах. Все это, несомненно, намного ухудшает условия работы масла.
Обеспечить безотказную работу столь высокофорсированных двигателей
оказалось возможным при значительном улучшении качества применяемых
масел, а также изменении конструкции двигателей, улучшении системы вентиляции картера, введении специального охлаждения масла, применении более совершенной очистки масла.
Эксплуатационные свойства масел, выбор соответствующего сорта и
сроков замены масел в двигателях внутреннего сгорания следует рассматривать в непосредственной связи с конструкцией узлов трения, состоянием поверхностей трения, схемой подачи масла, его очисткой, т. е. как единую систему: смазочное масло – двигатель. Повысить эффективность масляной системы можно правильным выбором и оптимизацией сорта масла с присадками, а также путем совершенствования самой системы смазки и режимов ее
работы. Нельзя рассматривать работу системы смазки изолированно от конструкции двигателя вообще. Например, расход масла слагается из количества
сгораемого масла в цилиндрах двигателя и расхода масла на его замену. Первое слагаемое определяется свойствами масла и особенностями двигателя
(устройством цилиндропоршневой группы, конструкцией поршневых колец,
зазорами в сочленениях, степенью изношенности). На расход масла влияет
режим работы двигателя, особенно частота вращения коленчатого вала. В
значительной степени расход масла на сгорание определяется нагрузкой на
двигатель, наличием наддува. Сроки замены масла зависят не только от
свойств самого масла, запаса его качества, который обусловлен особенностями комплексных присадок и свойствами базового масла, но и от конструкции
масляной системы. Соотношение между расходом масла и емкостью масляной системы, наличие или отсутствие отдельно расположенного бака, эффективность маслоочистительной системы, эффективность воздухоочистителей
и прочие конструктивные факторы оказывают на расход масла и его эксплуатационные свойства большое влияние.
32
Функционирование систем: топливной, смазочной и охлаждающей
влияют на эффективность ДВС, а уровень эксплуатационных свойств топлива, моторного масла, охлаждающей жидкости и степень соответствия их
установленным требованиям определяют его химмотологическую надежность.
Систему смазки ДВС характеризуют трибологические процессы трения
и износа, основу которых составляют химмотологические процессы, происходящие в моторном масле, которые определяют его эксплуатационные
свойства. На основе изучения факторов, от которых зависит эффективность
смазки и химмотологическая надежность двигателя внутреннего сгорания,
устанавливаются требования к качеству моторного масла.
При обосновании требований к топливно-смазочным материалам
(ТСМ), от которых зависит химмотологическая надежность ДВС, пользуются
принципом иерархии – расположением процессов, свойств, характеристик в
зависимости от степени их сложности и сопоставлением соответствующих
друг другу показателей: качества ТСМ и эффективности ДВС.
Обеспечение надежности и долговечности двигателей внутреннего сгорания является важной задачей в отрасли эксплуатации транспортных
средств. Контроль качества и состояния моторных масел в условиях эксплуатации, а также обоснование браковочных показателей для оценки качества
работающих масел и определение срока их службы являтся одним из наиболее важных направлений. Важны: разработка методов оценки его работоспособности в процессе эксплуатации и обеспечение качественной очистки масла в двигателе от образующихся в нем и попадающих извне вредных компонентов. Анализ масла – информативный метод оценки качества и ресурса
масла, позволяющий на ранних стадиях обнаружить основные неисправности
систем автомобиля. Для диагностирования ДВС, предотвращения его преждевременного и аварийного износа, а также для своевременной смены моторного масла, необходимо производить контроль моторных масел по их экс33
плуатационным свойствам. К основным эксплуатационным свойствам моторных масел относятся:
− антиизносные и антизадирные (определяются лабораторными и
стендовыми испытаниями при использовании стандартных методов; а в эксплуатации, косвенно, посредством спектрального анализа масла и его вязкости),
− антифрикционные, снижающие коэффициент трения деталей, механические потери и расход топлива на привод ДВС и его смазку (определение
прямой их проверкой в эксплуатации затруднительно; косвенно определяются по вязкости),
− моюще-диспергирующие,
обусловливающие
уменьшение
или
предотвращение лако- и нагарообразования на теплонапряженных деталях
ДВС (определяются посредством стандартных методов в лабораторных,
стендовых и специальных эксплуатационных испытаниях; в рядовой эксплуатации косвенную проверку проводят по щелочному числу и «капельной
пробе»),
− нейтрализующие, обусловливающие нейтрализацию кислых продуктов сгорания сернистых топлив для уменьшения их коррозионного действия
на детали ДВС (определяются стандартными методами при специальных испытаниях; косвенно определяются по щелочному числу),
− антикоррозионные и защитные, обусловливающие предотвращение
коррозии деталей ДВС и уменьшение агрессивного действия самого масла на
цветные сплавы подшипников ДВС (определяются стандартными методами
при специальных испытаниях; в эксплуатации определяются по спектральному анализу масла).
Данные показатели определяют качество моторных масел и обеспечивают эффективную работу системы смазки и надежную и долговечную работу ДВС в целом [5].
От выбора браковочных параметров для оценки качества работавшего
масла и определения срока его службы зависит повышение экономичности и
34
увеличение моторесурса ДВС. Комплекс браковочных параметров зависит от
типа двигателя, режима его работы, качества применяемого масла и других
факторов. При достижении хотя бы одного из браковочных показателей моторное масло считается непригодным и его следует заменить.
Эффективность функционирования системы смазки зависит от совершенствования химмотологической оценки моторных масел, которая представляет собой оперативное определение качества, обеспечивающее возможность обязательного соотнесения полученных результатов непосредственно с
состоянием отдельных смазываемых узлов и деталей для осуществления прогнозирования надежности ДВС.
В условиях работы АТП контроль работоспособности моторных масел
целесообразно проводить посредством методов экспресс-диагностики, позволяющих оперативно определять отдельные показатели качества моторного
масла. В результате анализа литературных источников были выявлены
наиболее значимые физико-химические показатели качества моторного масла (таблица 1.3) [16].
Таблица 1.3  Ранжирование по показателям, наиболее часто применяющимся для анализа старения моторного масла
Название показателя качества моторного
масла
Загрязненность механическими примесями
Вязкость
Диэлектрическая проницаемость
Щелочное число
Моюще-диспергирующе-стабилизирующие
свойства
Содержание воды
Кислотное число
Плотность
Оптическая плотность
Температура вспышки
Всего
Количество
литературных
источников
24
15
10
9
8
Весовой коэффициент
8
7
7
6
5
99
0,081
0,071
0,071
0,061
0,051
1
0,242
0,152
0,101
0,091
0,081
35
По результатам ранжирования факторов, определяющих работоспособность моторного масла, следует, что с учетом весовых коэффициентов
наиболее значимыми являются: загрязненность, вязкость, диэлектрическая
проницаемость.
В инструкции по эксплуатации двигателей четко определены категория
качества применяемого масла и периодичность его замены. Однако жизненный цикл транспортного средства может быть достаточно продолжительным,
и за это время качество выпускаемых моторных масел постоянно растет.
Возникает дилемма для больших автотранспортных предприятий: либо производить замену моторного масла в соответствии с инструкцией по эксплуатации, либо организовать замену, исходя из его физико-химического состояния. Поэтому совершенствование профилактики смазочной системы, в том
числе периодизации замены моторного масла, является на сегодняшний день
актуальной проблемой в эксплуатации транспорта.
Выводы по главе 1
Рассмотрены преимущества и проблемы эксплуатации транспорта с газовыми двигателями на примере газобаллонной техники ОАО «КАМАЗ».
Исследованы конструктивные особенности системы смазки газовых
двигателей на примере двигателей КАМАЗ-820.60-260 и КАМАЗ-820.61-260.
Расмотрены основные факторы, влияющие на изменение состояния моторных масел и характер основных процессов, приводящих к изменению состояния масла и двигателя.
Установлена взаимосвязь показателей работающего моторного масла и
технического состояния ДВС.
Рассмотрена возможность повышения эффективности ДВС посредством мониторинга состояния моторных масел в условиях эксплуатации.
36
2.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
РАБОТЫ
ГАЗОВОГО ДВС
Теплонапряженность основных узлов и деталей ДВС является важным
фактором, определяющим условия работы моторного масла. Выявленные факты ненормативного теплового режима отдельных элементов газового ДВС потребовали проведения более глубокого анализа причин его вызывающих и разработки мер предотвращения возможных отказов. В связи с чем выполнена
оценка объективности информации производителя по основным топливноэксплуатационным показателям газового двигателя путем поверочного расчета.
По результатам расчета выполнены графики, обеспечивающие визуальное восприятие процессов происходящих при работе ДВС с изменением основных параметров в различных нагрузочных режимах.
2.1 Поверочный тепловой расчет газового двигателя
Тепловой расчет двигателей производится для номинального режима при
наивыгоднейших условиях подвода и сгорания топлива.
При выполнении расчетов использовались справочные и нормативные
данные типовых расчетных методик, представленных в [14].
2.1.1 Выбор исходных величин теплового расчета
Применяемое топливо – компримированный (сжатый) природный газ по
ГОСТ 27577-2000. Расчетное октановое число газа, не менее 105.
Конструкцией предусмотрено, что двигатель КАМАЗ-820.61-260 имеет
систему с высоким наддувом, в связи с чем, давление наддувочного воздуха
примет значение Рк=(2,2…2,5) Р0, принимается Рк=2,3 Р0=2,3∙0,1=0,23 МПа
Четырехтактный восьмицилиндровый газовый двигатель КАМАЗ820.61-260 предназначен для установки на автобусы. Давление турбонаддувом
pк = 0,23 МПа. Номинальная мощность Ne = 191 кВт. Ход поршня S = 130 мм,
37
степень сжатия ε = 12. Частота вращения коленчатого вала nN = 2200 мин–1.
Эффективный КПД двигателя на режиме номинальной мощности равен 0,388.
Таблица 2.1 Технические характеристики газового двигателя КАМАЗ
Диаметр цилиндра
Модель
Тип
и ход поршня,
мм
КАМАЗ820.61-260
Четырехтактный,
ди-
зельный, газовый,
V-8 цилиндровый
Степень
объем, л
сжатия
11,76
(длиноходный)
Частота
Номинальная
Частота вращения колен-
мощность,
чатого вала, мин-1
кВт
191
120х130
Рабочий
2200
Максимальный
12
вращения
коленчатого
вала
крутящий
мо- при максимальном
мент, Нм
крутящем моменте,
931
мин-1
1300
2.1.2 Расчет параметров рабочего тела
1. В соответствии с ГОСТ 27577-2000 для рассчитываемого двигателя
принято газовое топливо, средний элементный состав будет равен:
СH4=87,0%, C3Н8=12,6%, С4Н10=0,4% [14].
2. Низшая теплота сгорания топлива
Нн=33,91·СН4+125,6·С3Н8-10,89·С4Н10-2,51 · 9 · СН4
(2.1)
Нн=33,91·0,87+125,6·0,126-10,89·0,004-2,51·9·0,126=42,44 МДж/кг
3. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива
Lo =
Lo =
1
CH
( 4+
0,208 12
C3 H8
4
−
C4 H10
32
)
(2.2)
1
0,87 0,126 0,004
кмоль возд.
+
−
(
) = 0,499
0,208 12
4
32
кг топл.
38
0 =
0 =
1
8
( 4 + 8 ∙ 3 8 − 4 10 )
0,23 3
(2.3)
1 8
кг возд.
( ∙ 0,87 + 8 ∙ 0,126 − 0,004) = 14,452
0,23 3
кг топл.
4. Для устойчивой работы двигателя без существенного перегрева его деталей коэффициент избытка воздуха  для газового двигателя с наддувом принят =1,7 [14].
5. Количество свежего заряда
М1 = α ∙ L0
(2.4)
М1 = 1,7 ∙ 0,499 = 0,849 кмоль св. зар./кг топл.
6. Количество отдельных компонентов продуктов сгорания
МСО2 =
МСО2 =
0,87
12
0,126
2
(2.5)
= 0,0725 кмоль СO2/кг топл.
МН2О =
М Н2 О =
С
12
Н
2
(2.6)
= 0,063 кмоль H2O/кг топл.
МО2 = 0,208 · ( − 1) · 0
(2.7)
МО2 = 0,208 · (1,7 − 1) · 0,499 = 0,0727 кмоль O2/кг топл.;
М2 = 0,792 ·  · 0
(2.8)
М2 = 0,792 · 1,7 · 0,499 = 0,6724 кмоль N2/кг топл.
7. Общее количество продуктов сгорания
2 = 2 + Н2О + 2 + 2
(2.9)
2 = 0,0725 + 0,063 + 0,0727 = 0,8806 кмоль пр.сг/кг топл.
2.1.3 Расчет параметров окружающей среды и остаточных газов
1. Давление окружающей среды принимается P0=0,1 МПа, а температура
окружающей среды – Т0=293 К.
39
При работе двигателя с наддувом давление окружающей среды по заданию равно pк = 0,23 МПа, а показатель политропы сжатия принят nк=1,5 [14]
Температура окружающей среды при работе газового двигателя с наддувом
рк
ТК = Т0 ( )
р
к −1
к
(2.10)
0
1,5−1
1,5
0,23
ТК = 293 (
)
0,1
= 387 К
2. Температура остаточных газов для двигателя с наддувом, по методическому указанию принята Тr=955 К [14].
3. Давление остаточных газов для газовых двигателей с наддувом и
наличием газовой турбины на выпуске, МПа
 = (0,75 − 0,98) ∙ к
(2.11)
 = 0,95 ∙ 0,23 = 0,218 МПа
2.1.4 Расчет процесса впуска
1. Температура подогрева свежего заряда [14] принята ∆Т = 10°
2. Плотность заряда на впуске, кг/м3
к =
рк ∙106
в ∙к
(2.12)
0,23 ∙ 106
к =
= 2,07 кг/м3
287 ∙ 387
3. Потери давления на впуске, МПа
∆ра =
2 ∙ ∙10−6
( 2 +вп )вп
к
2
(2.13)
где β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра;
ξвп – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к
наиболее узкому ее сечению;
40
ωвп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы, м/с.
В соответствии со скоростным режимом (n = 2200 об/мин) и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе газового двигателя с наддувом, принято (β2 + ξвп) = 3; вп = 90 м/с.
Потери давления на впуске
3 ∙ 902 ∙ 2,07 ∙ 10−6
∆ра =
= 0,0126 МПа
2
4. Давление в конце впуска
а = рк − ∆ра
(2.14)
а = 0,23 − 0,0251 = 0,205 МПа
5. Коэффициент остаточных газов для четырехтактного газового двигателя с наддувом
 =
 =
Тк +∆Т
Т
∙
р
· −
(2.15)
387 + 10
0,218
∙
= 0,0404
955
12 ∙ 0,205 − 0,218
6. Температура в конце впуска
Та =
Та =
Тк +∆Т+ ∙Т
1+
(2.16)
387 + 10 + 0,0404 ∙ 955
= 419 К
1 + 0,0404
7. Коэффициент наполнения
 =
 =
Тк
∙
1
∙
1
Тк +∆Т −1 рк
( ∙ ра − р )
(2.17)
387
1
1
(12 ∙ 0,205 − 0,218) = 0,863
∙
∙
387 + 10 12 − 1 0,23
41
2.1.5 Расчет процесса сжатия
1. При степени сжатия  = 12 и температуре в конце впуска Ta= 419 К
средний показатель адиабаты сжатия равен k1 = 1,369 [губарев, с.13, табл.5.1],
а показатель политропы сжатия принят n1 ≈ 1,369.
2. Давление в конце сжатия
р с = р а ∙  1
(2.18)
рс = 0,205 ∙ 121,369 = 6,1539 МПа
3. Температура в конце сжатия
Тс = Та ∙  1−1
(2.19)
Тс = 419 ∙ 121,369−1 = 1030 К
4. Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:
а) свежей смеси (воздуха)

( )0 = 20,6 + 2,638 ∙ 10−3 ∙ 
(2.20)

( )0 = 20,6 + 2,638 ∙ 10−3 ∙ 757 = 22,597 кДж/(кмоль ∙ град)
где
tc = Tc – 273
(2.21)
tc =1030 – 273 = 757 ºС
б) остаточных газов [14]:
– определяется значение теплоемкости остаточных газов при t=700 ºС и
α=1,7.
При коэффициенте избытка воздуха α = 1,6 теплоемкость остаточных газов равна 24,109 кДж/(кмоль·град) [14], при коэффициенте избытка воздуха α =
1,8 теплоемкость остаточных газов равна 23,927 кДж/(кмоль·град) [14]. При
разности коэффициентов избытка воздуха Δα = 1,8 – 1,6 = 0,2 разность теплоемкостей составит ∆(mcV" )700
t0 = 24,109 − 23,927 = 0,182 кДж/(кмоль·град).
Т. к. в расчете принят коэффициент избытка воздуха α = 1,7, то разность между
ним и ближайшим большим табличным α равна Δαр=1,8–1,7=0,1. Тогда значение теплоемкости составит
42
∆(" )700
0 = 23,927 + (24,109 − 23,927) ∙
0,1
= 24,018 кДж/(кмоль ∙ град)
0,2
– определяется значение теплоемкости остаточных газов при t=800 ºС и
α=1,7.
При коэффициенте избытка воздуха α = 1,6 теплоемкость остаточных газов равна 24,488 кДж/(кмоль·град) [14]; при коэффициенте избытка воздуха α =
1,8 теплоемкость остаточных газов равна 24,298 кДж/(кмоль·град) [14]. При
разности коэффициентов избытка воздуха Δα = 1,8 – 1,6 = 0,2 разность теплоемкостей составит ∆(mcV" )800
t0 = 24,488 − 24,298 = 0,190 кДж/(кмоль·град).
Т. к. в расчете принят коэффициент избытка воздуха α = 1,7, то разность между
ним и ближайшим большим табличным α равна Δαр=1,8–1,7=0,1. Тогда значение теплоемкости составит
∆(" )800
0 = 24,298 + (24,488 − 24,298) ∙
0,1
= 24,393 кДж/(кмоль ∙ град)
0,2
– определяется значение теплоемкости остаточных газов при t = 757 ºС и
α = 1,7.
При температуре t = 700 ºС теплоемкость остаточных газов равна 24,018
кДж/(кмоль·град); при температуре t = 800 ºС теплоемкость остаточных газов
равна 24,393 кДж/(кмоль·град). При разности температур Δt=800–700=100º
разность теплоемкостей составит ∆(mcV" )800−700
= 24,393 − 24,018 = 0,395
t0
кДж/(кмоль·град). Т. к. по расчету температура в конце сжатия tc = 757 ºС, то
разность между ней и ближайшей меньшей табличной составит Δtр=757–700 =
57º. Тогда значение теплоемкости tc = 757 ºС и α = 1,7 составит
t
(mcV" )tc0 = 24,018 + (24,393 − 24,018) ∙
57
= 24,231 кДж/(кмоль ∙ град)
100
в) рабочей смеси

(, )0 =

(, )0 =
1
1+


[( ) +  (" )0 ]
(2.22)
1
[22,697 + 0,0296 ∙ 24,231]
1 + 0,0296
= 22,741кДж/(кмоль ∙ град)
43
2.1.6 Расчет процесса сгорания
1. Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси
0 =
0 =
М2
(2.23)
М1
0,8806
= 1,037
0,849
2. Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
=
=
0 +
(2.24)
1+
1,037 + 0,0404
= 1,035
1 + 0,0404
3. Теплота сгорания рабочей смеси
Нраб.см =
Нраб.см =
Н
(2.25)
М1 (1+ )
42440
кДж
= 48047
0,849 ∙ (1 + 0,0404)
кмоль раб. см.
4. Средняя мольная изохорная теплоемкость продуктов сгорания

(" ) =
0
1


"
"
[СО2 (
+

+
)
(
)


Н
О
2
2 
2
0
2
0


0
0
"
"
+2 (
) + О2 (О
) ]
2
2

(" )0 =
(2.26)
1
[0,0725(39,123 + 0,003349 ) + 0,063(26,67 + 0,004438 )
0,8806
+ 0,6724(21,951 + 0,001457 ) + 0,0727(23,723 + 0,00155 )]
= 23,849 + 0,00183 кДж/(кмоль · град)
5. Средняя мольная изобарная теплоемкость продуктов сгорания


(р" )0 = (" )0 + 
(2.27)

(р" ) = 23,849 + 0,00183 + 8,315 = 32,164 + 0,00183
0
кДж/(кмоль · град)
6. Коэффициент использования теплоты для современных газовых двигателей с неразделенными камерами сгорания и хорошо организованным объ44
емным смесеобразованием, работающих с наддувом, при котором повышается
теплонапряженность двигателя, и создаются более благоприятные условия для
протекания процесса сгорания [14] принят равным ξz = 0,85.
7. Для снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма нецелесообразно, чтобы значение максимального давления сгорания
превышало величину 11–12 МПа. В связи с этим, значение степени повышения
давления в дизеле с наддувом принимается λ=1,5.
Температура в конце видимого процесса сгорания


 ∙ Нраб.см + [(, )0 + 8,315 ∙ ] + 2270( − ) =  ∙ ("р ) ∙ 
0
0,85 ∙ 48047 + (22,741 + 8,315 ∙ 1,5) ∙ 757 + 2270 ∙ (1,5 − 1,035)
= 1,035 ∙ (32,164 + 0,0018 )
или
0,001892 + 33,28 − 68552 = 0
откуда
−33,28 + √33,282 + 4 ∙ 0,00189 ∙ 68552
 =
= 1862 °
2 ∙ 0,00189
Абсолютное значение температуры в конце видимого процесса сгорания
 =  + 273
(2.28)
 = 1862 + 273 = 2135 К
8. Максимальное давление сгорания
 =  ∙ 
(2.29)
 = 1,5 ∙ 6,1539 = 9,231 МПа
9. Степень предварительного расширения
 
= ∙

=

(2.30)
1,035 2135
∙
= 1,430
1,5 1030
2.1.7 Расчет процесса расширения
1. Степень последующего расширения
45
=
=

(2.31)

12
= 8,39
1,43
При степени последующего расширения δ = 8,39, коэффициенте избытка
воздуха α = 1,7 и температуре в конце видимого процесса сгорания Tz = 2135
К, средний показатель адиабаты расширения равен k2 = 1,2745 [14]. Значение
показателя политропы расширения принимается несколько меньшим, чем значение показателя адиабаты расширения n2 = 1,191.
2. Давление в конце процесса расширения
 =
 =

(2.32)
 2
9,231
= 0,797 МПа
8,391,191
3. Температура в конце процесса расширения
 =
 =


 2 −1
(2.33)
2135
= 1422 
8,391,191−1
2.1.8 Расчет процесса выпуска
1. Проверка ранее принятой температуры остаточных газов
 =
 =
3

1422
3
(2.34)
√ /
√0,797/0,218
= 923 
2. Погрешность расчета
Δ = 100
955 − 923
= 3,46% < 5%
923
2.1.9 Расчет индикаторных параметров рабочего цикла
1. Теоретическое среднее индикаторное давление
46
′ =

−1
′ =
[( − 1) +
∙
2 −1
(1 −
1
 2 −1
)−
1
1 −1
(1 −
1
1 −1
)] (65)
6,1539
1,5 ∙ 1,43
1
[1,5(1,43 − 1) +
(1 −
)
12 − 1
1,191 − 1
8,391,191−1
−
1
1
(1 − 1,369−1 )] = 1,5569
1,369 − 1
12
2. Среднее индикаторное давление действительного цикла, МПа
 = и ∙ ′
(2.35)
где и – коэффициент полноты диаграммы.
Коэффициент полноты диаграммы для газового двигателя принят и
=0,95.
Среднее индикаторное давление
 = 0,95 ∙ 1,5569 = 1,479
3. Индикаторный КПД
 =
 =
 ∙0 ∙
 ∙к ∙
(2.36)
1,479 ∙ 14,452 ∙ 1,7
= 0,479
42,44 ∙ 2,07 ∙ 0,863
4. Индикаторный удельный расход топлива
 =
 =
3600
( ∙ )
(2.37)
3600
= 177,08 г/(кВт ∙ ч)
(42,44 ∙ 0,479)
2.1.10 Расчет эффективных показателей двигателя
Средняя скорость поршня [14] принимается νп.ср = 10 м/с
2. Среднее давление механических потерь
м = 0,089 + 0,0118п.ср
(2.38)
м = 0,089 + 0,0118 ∙ 10 = 0,207 МПа
47
3. Среднее эффективное давление
 =  − м
(2.39)
 = 1,479 − 0,207 = 1,272 МПа
4. Механический КПД
м =
м =

(2.40)

1,272
= 0,86
1,479
5. Эффективный КПД
 =   ∙ м
(2.41)
 = 0,479 ∙ 0,86 = 0,412
6. Эффективный удельный расход топлива
 =
 =
3600
 ∙
(2.42)
3600
= 206 г/(кВт ∙ ч)
42,44 ∙ 0,412
2.1.11 Расчет основных параметров цилиндра и двигателя
Если задана эффективная мощность двигателя и выбрана величина S/D
(или принят ход поршня), то можно определить основные конструктивные параметры двигателя.
1. По эффективной мощности Ne, частоте вращения коленчатого вала n и
эффективному давлению pe определяется литраж двигателя, л
л =
л =
30∙∙е
 ∙
(2.43)
30 ∙ 4 ∙ 191
0,886 ∙ 2200
где τ – число тактов в одном цикле работы двигателя.
2. Определяется рабочий объем одного цилиндра, л
ℎ =
л

(2.44)
48
ℎ =
11,76
= 1,47
8
где i – число цилиндров в двигателе.
3. Определяется диаметр цилиндра
 = 2 ∙ 103 √
ℎ
(2.45)

1,47
 = 2 ∙ 103 √
= 120 мм
3,14 ∙ 130
4. После округления полученных расчетных значений диаметра и хода
поршня до целых чисел, нуля или пяти производится уточнение параметров и
показателей двигателя в соответствии с принятыми (округленными) значениями диаметра цилиндра и хода поршня:
– площадь поршня
∙2
п =
(2.46)
4∙100
3,14 ∙ 1202
п =
= 113 см2
4 ∙ 100
– литраж двигателя
л =
л =
∙2 ∙∙
(2.47)
4∙106
3,14∙1202 ∙130∙8
4∙106
= 11,76 л
– эффективная мощность двигателя
 =
 =
 ∙л ∙
30∙
(2.48)
0,886 ∙ 11,76 ∙ 2200
= 191кВт
30 ∙ 4
– литровая мощность двигателя
л =
л =

л
(2.49)
191
= 16,24 кВт/л
11,76
49
– эффективный крутящий момент
М =
3∙104 
∙


(2.50)
3 ∙ 104 191
М =
∙
= 82,94 Н · м
3,14 2200
– часовой расход топлива
 =  ∙  ∙ 10−3
(2.51)
 = 191 ∙ 206 ∙ 10−3 = 39,34 кг/ч
– средняя скорость поршня
∙
п.ср =
104 ∙3
(2.52)
130 ∙ 2200
95,33 м/с
104 ∙ 3
где nN – частота вращения коленчатого вала на режиме номинальной мощноп.ср =
сти, мин–1.
2.1.12 Построение индикаторной диаграммы двигателя
Расчет и построение индикаторной диаграммы производится следующим
образом.
1. Принимаются масштабы диаграммы:
– масштаб хода поршня MS = 1 мм в мм;
– масштаб давлений Mp = 0,08 МПа в мм.
2. Длина отрезка AB
 =
 =


130
1
(2.53)
= 130 мм
3. Определяется отрезок OA
ОА =
АВ
(−1)
(2.54)
50
ОА =
130
= 11,8 мм
(12 − 1)
Определяется величина отрезка z′z
 ′  = ОА ∙ ( − 1)
(2.55)
 ′  = 11,8 ∙ (1,430 − 1) = 5,08 ≈ 5 мм
4. Из точки O, являющейся началом координат диаграммы, по оси абсцисс откладывается отрезок OA = 11,8 мм. Далее от точки A по оси абсцисс откладывается отрезок AB = 130 мм. Таким образом, длина отрезка OB составит
OB = OA + AB
(2.56)
OB =11,8 + 130 = 141,8 мм.
5. Определяется максимальная высота диаграммы (ординаты точек z′ и
z), а также ординаты характерных точек

9,231
=
= 115,38 мм
М
0,08
а
0,205
=
= 2,56 мм
М
0,08

0,797
=
= 9,96 мм
М
0,08

6,153
=
= 76,91 мм
М
0,08

0,218
=
= 2,72 мм
М
0,08
к
0,23
=
= 2,87 мм
М 0,08
0
0,1
=
= 1,25 мм
М 0,08
6. Характерные точки a (141,8; 2,56); b (141,8; 9,96); c (11,8; 76,91); r
(11,8; 2,72); z (11,8; 115,38) наносятся на диаграмму. Также на диаграмму
наносится точка z, абсцисса которой равна
OXz = OA + z′z
(2.57)
OXz=11,8+5=16,8
51
а ордината pz/Мp= 115,38 мм.
7. Производится построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом:
а) политропа сжатия строится при помощи выражения


=

(
ОВ 
1
М ОХ
)
(2.58)

141,8 1,369
= 2,56(
)
мм

ОХ
б) политропа расширения строится при помощи выражения


=
 ОВ 
( ) 1
М ОХ
(2.59)

141,8 1,191
= 9,96(
)
мм

ОХ
Результаты определения точек политроп сжатия и расширения заносятся
в таблицу 2.2.
Таблица 2.2  Расчетная таблица к построению политроп сжатия и
расширения
Политропа сжатия
№
точек
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
OX,
мм
11
24,8
37,8
50,8
63,8
76,8
89,8
102,8
115,8
128,8
141,8
OB/O
X,
мм
10,9
5,71
3,75
2,79
2,55
1,84
1,57
1,37
1,22
1,1
1
1, 362
 OB 


 OX 
26,31
10,86
6,1
4,07
2,98
2,31
1,86
1,55
1,31
1,14
1
Рx/Мр,
мм
67,48
27,8
15,61
10,41
7,62
5,91
4,76
3,96
3,35
2,91
2,56
Политропа расширения
Рx,
МПа
5,39
2,22
1,24
0,83
0,6
0,47
0,38
0,31
0,26
0,23
0,2
1, 267
 OB 


 OX 
–
7,69
4,82
3,39
2,58
2,06
1,71
1,45
1,26
1,12
1
Рx/Мр,
мм
–
79,28
48
33,76
25,59
20,51
17,03
14,54
12,54
11,15
9,96
Рx,
МПа
–
6,34
3,84
2,7
2,05
1,64
1,36
1,16
1,01
0,89
0,79
8. Точки a и c соединяют плавной кривой, проходящей через вычисленные и нанесенные на поле диаграммы точки политропы сжатия, а точки z и b –
кривой, проходящей через точки политропы расширения. Прямыми линиями
52
соединяются точки точки c и z′; z′ и z, а также b и a. Принимается, что процесс
выпуска протекает сначала при постоянном объеме от давления pb до давления
pr (из точки b вертикально вниз), затем – при постоянном давлении pr от н.м.т.
до в.м.т. (горизонтально до точки r), а процесс впуска сначала протекает также
при постоянном объеме от давления pr до давления pa (из точки r вертикально
вниз, если pa < pr или вверх, если pa > pr), затем – при постоянном давлении pa
от в.м.т. до н.м.т. (горизонтально до точки a). Теоретическая индикаторная диаграмма приведена на рисунке 2.3.
9. Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании
следующих соображений и расчетов. Учитывая достаточную быстроходность
двигателя и величину наддува, ориентировочно устанавливаются следующие
фазы газораспределения: впуск – начало (точка r′) за 25º до прихода поршня в
в.м.т., а окончание (точка a) – через 60º после прохода поршнем н.м.т.; выпуск
– начало (точка b) принимается за 60º до прихода поршня в н.м.т., а окончание
(точка a) через 25º после прохода поршнем в.м.т. Учитывая быстроходность
дизеля, угол опережения впрыска  принимается равным 20º, а продолжительность периода задержки воспламенения – 1 = 8º.
В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания определяют положение точек r, a, a, b, с и f по формуле
для перемещения поршня:
АХ =
АВ
2

[(1 −  ) + (1 − с2)]
4
(2.60)
где  – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
При построении индикаторной диаграммы предварительно принимается
 = 0,270.
Расчеты абсцисс точек r, a, a, b, с и f сведены в таблицу 2.3.
53
Таблица 2.3  Расчетная таблица к скруглению индикаторной диаграммы
Обозначение
точек
r
a
a
с
f
b
Положение
точек
25º до в.м.т.
25º после в.м.т.
60º после н.м.т.
20º до в.м.т.
12º до в.м.т.
60º до н.м.т.

25
25
120
20
12
120

(1 − ) + (1
4
− с2)
0,1178
0,1178
1,6013
0,0761
0,0277
1,6013
Расстояние
от в.м.т. (AX),
мм
7,6
7,6
104
4,9
1,8
4,9
Положение точки c определяется из выражения
 " = (1,15 ÷ 1,25) ∙ 
(2.61)
 " = 1,15 ∙ 6,153 = 7,075 МПа
 " 7,075
=
= 88,44 мм
М
0,08
Точка zд лежит на линии z′z ориентировочно вблизи точки z. Точки r с a′;
c′ с f и c′′ и далее с zд соединяются плавными кривыми; далее точка zд соединяется кривой расширения с точкой b′, а точка b′ – плавной кривой с точкой b′′,
которая соединяется с точками r′ и r линией выпуска. В итоге получается
скругленная действительная индикаторная диаграмма ra′ac′fc″zдb′b″r (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – Действительная индикаторная диаграмма
54
Согласно действительной индикаторной диаграмме видно: как изменяются параметры рабочего тела в ходе реализации действительного цикла ДВС
на номинальном режиме. По диаграмме можно определить давление в камере
сгорания в зависимости от положения поршня. На диагремме видно, что максимальное давление достигается в В.М.Т. и составляет 9,231 МПа.
2.1.13 Скоростные характеристики двигателя внутреннего сгорания
Определим частоту вращения коленчатого вала, при которой величина
крутящего момента будет максимальной.
Для этого необходимо выразить в явном виде зависимость крутящего
момента от частоты вращения коленчатого вала
 = 3 ∙ 104 ∙

∙
3∙104 ∙
∙
= 3 ∙ 104 ∙  ∙
[0,87 + 1,13 ∙




∙ ∙

2

[0,87 + 1,13 ∙   − (  ) ] =


2
− ( ) ]

(2.62)

Видно, что множитель 3·104Ne/πnN является константой и не зависит от
значения nx, поэтому для упрощения расчетов целесообразно ввести следующее обозначение
 = 3 ∙ 104 ∙

(2.63)
∙
В таком случае формула будет преобразована к виду
 =
3∙104 ∙
∙

2


2

[0,87 + 1,13 ∙   − (  ) ] =  [0,87 + 1,13 ∙   − (  ) ] =

0,87 ∙  + 1,13 ∙




∙  −

2

∙ 2

(2.64)
Известно, что функция имеет экстремум в точке, если ее производная в
этой точке равна 0. Поэтому необходимо найти производную функции крутящего момента от частоты вращения коленчатого вала


=
∙(0,87∙+1,13∙


∙ − ∙2 )
  2 


(
1,13

−
2
2

)
= 0 + 1,13 ∙


−
2
2

∙  =
(2.65)
55
и приравнять ее нулю


1,13
= (
−

2
2

)=0
(2.66)
где nM – частота вращения коленчатого вала, при которой крутящий момент
имеет максимальное значение, мин–1.
При работе двигателя внутреннего сгорания его номинальная мощность Ne ≠ 0, таким образом, полученное выражение будет равно нулю при
равенстве нулю выражения в скобках, т.е.
1,13

−
2
2

=0
(2.67)
oткуда
2
1,13 
1,13 ∙  1,13 ∙ 2200
 =
∙
=
=
= 1243 мин−1
 2
2
2
Значения эффективной мощности в зависимости от частоты вращения
коленчатого вала


2



 =  ∙   [0,87 + 1,13 ∙   − (  ) ] = 170 ∙ 2200
[0,87 +



1,13∙
2200

 2
− (2200
) ] (2.68)
Результаты расчетов приведены в таблице 2.5 (графа 2).
Расчетные точки для построения кривой эффективного крутящего момента
4
 = 3 ∙ 10 ∙

∙
=
3∙104
3,14
∙

∙
= 9549 ∙


(2.69)
Результаты расчетов приведены в таблице 2.5 (графа 3).
Величина удельного эффективного расхода топлива на режиме номинальной мощности
 =
 =
3600
 ∙
(2.70)
3600
≈ 218,6 г/(кВт ∙ ч)
42,44 ∙ 0.388
Удельный эффективный расход топлива в искомой точке скоростной
характеристики
56

2



2


 =  [1,55 − 1,55   + (  ) ] = 218,6[1,55 − 1,55 ∙ 2200
+ (2200
) ]


(2.71)
Результаты расчетов приведены в таблицу 2.5 (графа 4).
Расчетные точки кривой часового расхода топлива
 =
 ∙
(2.72)
1000
Результаты расчетов приведены в таблице 2.5 (графа 5).
Таблица 2.4  Результаты расчетов точек скоростной характеристики
газового двигателя
nx, мин–1
Nex, кВт
Mex, Н·м
1
600
1000
1243
1400
1800
2200
2
57,29
102,43
128,41
144,63
175,02
191
3
911,77
979,05
986,47
986,47
928,48
829,03
gex,
г/(кВт·ч)
4
230,75
229,53
216,47
212,04
207,67
218,6
Gтx, кг/ч
5
13,21
23,51
27,78
30,66
36,34
41,75
Коэффициент приспособляемости двигателя
=
=


(2.73)
986,47
= 1,19
829,02
Производится построение скоростной характеристики газового двигателя
Рисунок 2.2 – Эффективная мощность
57
На графике показаны значения эффективной мощности в зависимости
от частоты вращения коленчатого вала, зависимость пропорциональна, что
говорит о стабильной и бесперебойной работе газового ДВС.
Рисунок 2.3 – Эффективный крутящий момент
Из графика следует, что эффективный максимальный крутящий момент достигается в пределах 1243-1400 мин–1 и составляет 986,47 Н·м, а минимальный крутящий момент достигается в 2200 мин–1 и равен 829,03 Н·м.
Рисунок 2.4 – Удельный эффективный расход топлива
58
На графике представлена зависимость удельного эффективного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала. Таким образом, максимальный расход топлива достигается при 600 мин–1 и составляет 230,75
г/(кВт·ч), а минимальный расход при 1800 мин–1 и равен 207,67 г/(кВт·ч).
Рисунок 2.5 – Часовой расход топлива
На графике видна зависимость часового расхода топлива от частоты
вращения коленчатого вала, зависимость пропорциональная, минимальное
значение при 600 мин–1 и составляет 13,21 кг/ч, а максимальное при 2200
мин–1 и равно 41,75 кг/ч.
2.1.14 Расчет теплового потребления системы смазки
Общее количество теплоты, введенной в двигатель при сгорании топлива, кВт
0 =
 ∙

(2.74)
Результаты расчетов приведены в таблице 2.5 (графа 2)
Количество теплоты, отводимое маслом от двигателя, кВт
QM = qM ∙ Q0
(2.75)
где qм – относительный теплоотвод через смазочную систему.
По [14] значения qм=0,05
59
Результаты расчетов приведены в таблице 2.5 (графа 3)
Циркуляционный расход масла, м3/с
Vц =
QM
(2.76)
cM ∙ρM ∙∆TM
где cм – средняя теплоемкость масла, кДж/(кг·К); ρм – плотность масла,
кг/м3; ΔTм – температура нагрева масла в двигателе, К.
Результаты расчетов приведены в таблице 2.5 (графа 4)
Принимаем следующие значения физических характеристик масла: cм
= 2,094 кДж/(кг·К); ρм = 900 кг/м3.
Перепад температур масла на входе в смазочную систему и на выходе
из нее, для газовых двигателей составляет
ΔTм = 20 [13].
Таблица 2.5  Результаты расчетов газового двигателя
nx
1
600
1000
1243
1400
1800
2200
Q0 , кВт
2
934,38
997,76
948,49
929,43
856,81
805,39
QM, кВт
3
46,73
49,88
47,42
46,47
42,84
40,26
Vц, м3/с
4
0,00123
0,00132
0,00126
0,00123
0,00113
0,00106
Рисунок 2.6 – Количество теплоты, введенной в двигатель
при сгорании топлива
60
На графике представлена зависимость количества теплоты, введенной
в двигатель при сгорании топлива от частоты вращения коленчатого вала. Из
графика следуют, что максимальное количество теплоты 997,76 кВт вводится
при 1000 мин–1, а минимальный показатель количества теплоты, введенной в
двигатель достигается при 2200 мин–1 и составляет 805,39 кВт.
Рисунок 2.7 – Количество теплоты, отводимое маслом от двигателя
На графике видна зависимость количества теплоты, отводимого маслом от двигателя, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Из
графика следует, что максимальное количество теплоты 49,88 кВт отводится
при 1000 мин–1, а минимальное 40,26 кВт при 2200 мин–1.
Рисунок 2.8 – Циркуляционный расход масла
61
Из графика зависимости циркуляционного расхода масла от частоты
вращения коленчатого вала следует, что максимальный расход моторного
масла 0,00132 м3/с достигается при 1000 мин–1, данные обороты характерны
для
городского
режима
эксплуатации
двигателя
в режиме разгон-
торможение. Минимальный расход 0,00106 м3/с при 2200 мин–1, характерен
для загородного режима движения.
2.1.15 Описание теплового расчета
Был произведен тепловой поверочный расчет двигателя внутреннего
сгорания, который позволили с достаточной степенью точности проверить
степень совершенства действительного цикла реально работающего двигателя. В качестве исходных данных был принят четырехтактный восьмицилиндровый газовый двигатель КАМАЗ-820.61-260 предназначенный для установки на автобусы. Давление турбонаддувом pк = 0,23 МПа. Номинальная
мощность Ne = 191 кВт. Ход поршня S = 130 мм, степень сжатия ε = 12. Частота вращения коленчатого вала nN = 2200 мин–1. Эффективный КПД двигателя на режиме номинальной мощности равен 0,388. Далее расчетным путем
на основе вычисленных основных параметров характерных точек для процессов впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска, была построена индикаторная диаграмма.
Выводы по главе 2
Рассмотрена взаимосвязь состояния моторного масла с общими показателями надежности ДВС.
Приведены количественные выражения, характеризующие показатели
напряженности работы моторных масел в ДВС, которая определяется по воспринимаемой ими тепловой нагрузке.
Приведены количественные выражения, косвенно доказывающие, что
изнашивание деталей ЦПГ и подшипников коленчатого вала и изменение основных параметров моторного масла в процессе работы в высокофорсиро62
ванных газовых ДВС находится в зависимости от температуры и объема масла в картере.
Отмечено, что рассмотрение поведения моторного масла с позиций
термодинамики, кинетики или теории надежности увеличивает число вариантов подхода к анализу его состояния, позволяя в зависимости от обстоятельств, отдавать предпочтение либо одному из них, либо использовать их
сочетание.
Выполнена оценка объективности информации производителя по основным топливно-эксплуатационным показателям газового двигателя путем
поверочного расчета. По результатам расчета выполнены графики, обеспечивающие визуальное восприятие процессов происходящих при работе ДВС с
изменением основных параметров в различных нагрузочных режимах.
63
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ
СМАЗОЧНОЙ СИСТЕМЫ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
3.1 Опыт эксплуатации ГБА ОАО «КАМАЗ» в г. Белгороде
В России уже в среднесрочной перспективе возможен переход на метан, как основное моторное топливо. Что является наиболее рациональным,
ресурсообеспеченным и экологически приемлемым путем повышения эффективности и экологизации автомобильного транспорта. Данную задачу
необходимо решать в комплексе: сегодня региональные власти разрабатывают необходимую законодательную базу и закупают транспорт на метане, автопроизводители расширяют модельный ряд новыми образцами газомоторной техники, перевозчики предпринимают шаги по эффективной эксплуатации газомоторного транспорта, энергетики обеспечивают строительство и
ввод в эксплуатацию газовые АЗС.
В рамках действующего соглашения о сотрудничестве и о развитии регионального рынка газомоторного топлива между ПАО «Газпром» и Правительством Белгородской области для муниципального унитарного предприятия города Белгорода «Городской пассажирский транспорт», которое является самым крупным предприятием в г. Белгороде, осуществляющим пассажирские перевозки, в 2013 г. приобретено 105 единиц новых автобусов, работающих на компримированном газе, (40 автобусов марки НЕФАЗ-5299-31
(рисунок 3.1) и 65 автобусов марки ЛиАЗ-52937).
Рисунок 3.1  Автобус НефАЗ-5299-30-31
64
Белгородская транспортная компания «Экотранс», являющаяся крупнейшим в регионе специализированным предприятием, оказывающим полный спектр услуг в сфере обращения с отходами, также начала активный переход на автомобили на газовом топливе. В 2016 г. компанией были закуплены 12 автомобилей, работающих на газовом топливе (рисунок 3.2), впоследствии планируется переоборудовать и заменить все автомобили на дизельном
и бензиновом топливе на автомобили, работающие на газу.
Рисунок 3.2 Мусоровоз МСТ-6963-10 с газовым двигателем
Опыт экспуатации ГБА показал как преимущества использования газового топлива, с экономической и экологической стороны, так и выявил некоторые проблемы:
− увеличенный расход моторного масла, особенно при работе двигателя
на холостом ходу,
− повышенный износ цилиндро-поршневой группы двигателя (ЦПГ),
из-за недостаточного теплоотведения.
Отклонение параметров моторного масла от требований, предъявляемых к нему в процессе его эксплуатации в газовых двигателях, может привести к разрушению деталей ЦПГ (рисунок 3.3). Это является следствием
нарушения температурного режима работы ДВС и усугубляется применением несоответствующих рекомедациям заводов-изготовителей ГБА моторных
масел и их несвоевременной заменой.
65
Рисунок 3.3  Элементы цилиндро-поршневой группы газового двигателя
КАМАЗ мод. 820.61-260 автобусов НЕФАЗ 5299-30-31
Проведенная дефектация элементов цилиндро-поршневой группы выявила проблемные места. На фотографиях в качестве примера представлен
результат работы двигателя при постоянных высоких температурах, при пробеге 42 000 км (повреждение головки блока цилиндров; поршень вид сверху).
Выявленные факты ненормативного теплового режима отдельных элементов ДВС потребовали проведения более глубокого анализа причин его
вызывающих и разработки мер предотвращения возможных отказов.
Для решения вопросов по устранению выявленных недостатков МУП
«ГПТ» г. Белгорода осуществляет с заводом-изготовителем (ОАО «КАМАЗ»)
корректировочно-доводочные работы. Например, внесены изменения в конструкцию автобусов НЕФАЗ: применен модернизированный комплект ЦПГ
мод. «114», применение которого позволило снизить расход масла.
Одной из предполагаемых причин является использование моторного
масла несоответствующего качества и несвоевременная его замена (рисунок
3.4), что может происходить из-за преждевременного старения и интенсивного угара масла, работающего в сложных условиях городского движения, усугубляемых высокой теплонагруженностью газовых ДВС. В связи с чем необходимо проводить мониторинг его показателей качества в процессе эксплуатации для проведения своевременной замены самого масла и фильтроэлементов.
66
Рисунок 3.4  Замена фильтроэлементов в системе смазки ДВС
автобусов НЕФАЗ
3.2 Совершенствование обслуживания системы смазки газовых
ДВС путем мониторинга количественного и качественного состояния
моторного масла в условиях эксплуатации
3.2.1 Специфика применения моторных масел для газового
двигателя
Современные ДВС требуют высококачественных моторных масел для
обеспечения их заданной надежности и технических характеристик. Кроме
того, для обеспечения экологической безопасности и снижения загрязнения
окружающей среды определенные требования предъявляются к составу современных моторных масел, а именно, они должны иметь низкую сульфатную
зольность, а также пониженное содержание таких элементов как сера и фосфор (масла типа Low SAPS).
Современныемасла должны сохранять эксплуатационные свойства
длительное время (от 500 до 2 000 моточасов работы двигателя, примерно
12–45 тыс. км пробега). Срок смены масел должен быть увязан со сроками
смены фильтрующих элементов и режимами технического обслуживания автомобилей. При этом должен обеспечиваться низкий расход масла на угар.
Условия работы масел в двигателях различных типов и конструкций могут
сильно различаться, что затрудняет выбор масла для конкретного двигателя.
67
Для облегчения выбора масел с учетом условий эксплуатации и особенностей техники разработаны их классификации [47].
Применение специальных моторных масел для эксплуатации ДВС
АТС, работающих на КПГ, определяется:
− более высокой теплотворной способностью стехиометрической смеси
метана с воздухом (3,38 кДж/м3) по сравнению со смесью дизельного топлива
и воздуха (2,77 кДж/м3), превышение составляет 22%,
− изменением объемной и весовой теплотворной способности природных
газов в зависимости от месторождения и периода его разработки (от 33290 до
47000 кДж/м3) – превышение более чем на 40%.
Тебования к моторным маслам для газовых двигателей, связанные с
особенностями их работы:
− отработавшие газы содержат большее количество водяных паров, чем
в двигателях на жидком топливе, поэтому моторные масла должны обладать
достаточной стойкостью к обводнению;
− при сгорании обедненных газовоздушных смесей в отработавших газах возрастает содержание оксидов азота, поэтому масла должны обладать
достаточной стойкостью к их воздействию;
− особенности смесеобразования повышают чувствительность к образованию в камере сгорания отложений сгоревшего масла (зольных отложений), поэтому содержание металлорганических присадок (сульфатная зольность), дающих эти отложения у масел для газовых двигателей, должно быть
ниже;
− в связи с более высокими рабочими температурами от масла требуется большее содержание антиокислительных присадок для повышения его
устойчивости к старению;
− из-за недостаточных смазывающих свойств газа функция защиты
двигателя полностью переносится на масло;
− из-за повышенного угара масла в связи с более высокими рабочими
температурами в газовых двигателях, ускорения процесса крекинга и испаре68
ния масла, от масла требуется специальный состав с пониженной скоростью
испарения.
Для каждого газового двигателя имеется перечень масел, которые рекомендованы для использования самим производителем. При переходе на
моторное масло, не входящее в данный перечень, необходимо получить подтверждение возможности его применения у изготовителя, выпустившего
данную модель двигателя (Приложение). Согласно классификации API оптимальным выбором для газовых ДВС являются моторные масла классов
SF/СС, SF/CD и более высоких классов. Основным технологическим документом, определяющим содержание смазочных работ, является химмотологическая карта, в которой указывают места точек смазки, периодичность
смазки, марку смазок и масел, их заправочные объемы.
Для газового двигателя КАМАЗ рекомендовано использовать моторные масла следующих производителей (таблица 3.1) [2]:
Таблица 3.1– Моторные масла для газовых двигателей КАМАЗ
Марка масла
ADDINOL Gasmotorenol MG 1540
Mobil SHC Pegasus 30
Mobil Pegasus 1
Fuchs TITAN CNG SAE 15W-40
Fuchs TITAN CNG MC SAE 10W-40
Shell Rimula R6 LM SAE 10W-40 API CI-4
G-Profi CNG LA 10W-40
Petro-Canada Setron Fleet 10w-40
Производитель
ADDINOL Lube Oil GmbH,
Германия
EXXON MOBIL
EXXON MOBIL
FUCHS
FUCHS
SHELL
ООО «Газпромнефть-СМ»
Petro-Canada
Сравнение физико-химических показателей качества моторных масел,
рекомендованных заводом-изготовителем газового и дизельного двигателей
КАМАЗ (таблица 3.2), показывает, что моторное масло для газового двигателя содержит меньший показатель сульфатной зольности (0,6 %) и более
высокий индекс вязкости [26,32].
69
Таким образом, для двигателей, сконструированных и построенных для
работы на газе и имеющих повышенную степень сжатия, необходимо применение специальных масел, имеющих сниженную сульфатную зольность
(не более 0,8 %), высокую термоокислительную стабильность и устойчивость
к обводнению и нитрованию.
Таблица 3.2 – Физико-химические характеристики моторных масел
Наименование показателя
Вязкость кинематическая при 100°C,
мм2/с
Индекс вязкости
Температура вспышки в открытом тигле,
°C
Температура застывания, °C
Плотность при 20°C кг/м3
Щелочное число, мг KOH/г
Зольность сульфатная, %
G-Profi CNG LA
10W-40
(для газового двигателя КАМАЗ)
G-Profi MSI
10W-40
(для дизельного двигателя КАМАЗ)
14,5
15
155
149
220
228
-38
854
4,2
0,6
-39
875
11
1,33
Все масла, подходящие для работы с газовыми двигателями, проходят
специальную проверку и тестирование на предмет выявления эффективности, эксплуатационных свойств, а также безопасности. Правильно подобранное качественное масло для газового двигателя позволит заметно улучшить
эксплуатационные характеристики агрегата, продлить срок службы масляных
фильтров, снизить золообразование, а также защитить различных детали и
клапаны от преждевременного износа.
Опыт эксплуатации двигателей на компримированном природном газе
показывает необходимость использования специальных моторных масел.
При отклонении показателей качества моторных масел от требуемых в
процессе его эксплуатации в газовых и газодизельных ДВС, может произойти разрушение деталей ЦПГ, являющееся результатом нарушения температурного режима работы ДВС и усугубляющееся наличием повышенного содержания сульфатной золы. Нарушение температурного режима приводит к
разрушению камеры сгорания ДВС (рисунок 3.5).
70
Рисунок 3.5  Разрушение камеры сгорания ДВС вследствие нарушения
температурного режима
Лабораторная оценка масла проводится при его износе на 60, 80, 100 %.
В результате удается установить оптимальные сроки замены масла. Периодическая проверка состояния масла необходима для выявления износа деталей двигателя. Если срок его службы подходит к концу или имеются какиелибо неполадки, то можно говорить о наличии нарушений в процессе сгорания газового топлива.
3.2.2 Мониторинг качественного состояния моторного масла в
условиях эксплуатации
Почти всегда износ поршня, поршневых колец и цилиндров и вытекающий из этого повышенный или чрезмерный расход масла не связан с самими конструктивными элементами. Данные последствия вызваны внешними
воздействими: нарушениями режима сгорания из-за дефектов в системе приготовления смеси, загрязнениями, попадающими в двигатель извне, недостаточным охлаждением двигателя, нехваткой масла, маслом неподходящих марок и неправильной сборкой.
В процессе эксплуатации масло выполняет функции накопителя продуктов износа и загрязнений, образующихся при работе двигателя, а это при71
водит к изменению основных показателей качества масла. К основным видам
загрязнений масел в процессе их эксплуатации в двигателе можно отнести
органические (углеводородные) и неорганические (продукты изнашивания
трущихся деталей). Неорганические загрязнения попадают в масло вследствие механического износа трущихся деталей двигателя и представляют собой главным образом кварцы, полевые шпаты, оксиды металлов и металлические частицы [4,12].
Интенсивное загрязнение масла и его быстрое старение происходят изза длительной работы двигателя в режимах, отличающихся от номинальных
(температура охлаждающей жидкости менее 60°С или более 100°С), значительного износа деталей ЦПГ, применения несоответствующего масла.
Интенсивность изменения показателей качества моторного масла находится в прямой зависимости от срока службы двигателя: резко возрастает в 1й период приработки масла, стабилизируется во 2-й и постепенно повышается в 3-й.
Вопросы, связанные с заменой моторных масел по фактическому состоянию являются актуальными. Необходим мониторинг показателей качества моторного масла в процессе эксплуатации, для проведения своевременной замены самого масла и фильтроэлементов.
Низкое качество работавшего моторного масла может привести к повышенному износу подшипников коленчатого вала, цилиндропоршневой
группы, кулачков и толкателей, к задирам на юбке поршня, к осадкообразованию. В этих условиях назрела задача внедрения контроля качественных
показателей моторного масла непосредственно на предприятиях технического сервиса. Для ее решения предпочтительно использовать экспресс-методы
оценки физико-химических показателей смазочного материала. В настоящее
время ряд отечественных и зарубежных фирм выпускают экспресс-приборы
для определения остаточного ресурса работавшего масла. Они различаются
между собой количеством определяемых показателей, точностью измерений,
надежностью, оперативностью проведения контроля качества смазочного ма72
териала. В качестве браковочных показателей моторного масла специалисты
рассматривают – изменение кинематической вязкости, содержание воды,
снижение температуры вспышки в открытом тигле, щелочное число, содержание примесей нерастворимых в бензине и др. Детальное рассмотрение и
сопоставление взаимосвязанных показателей дает возможность предотвратить большое количество неисправностей двигателей
Определить момент загрязнения моторного масла можно с помощью
экспресс-диагностики, используя экспресс-лабораторию, а также маслотестер
(рисунок 3.6). Эксресс-диагностикой определяют качество моторного масла
по основным физико-химическим показателям, таким как: диэлектрическая
проницаемость моторного масла, оптическая плотность, вязкость, щелочное
число, загрязненность, обводненность, диспергирующе-стабилизирующие
свойства [52].
Рисунок 3.6  Оборудование для экспресс-диагностики моторных масел
Анализ масел за рубежом стал главным элементом превентивной
(предсказательной) и проактивной (предупреждающей) диагностик систем
технического обслуживания двигателей внутреннего сгорания, трансмиссий,
гидравлических систем, редукторов, турбин и т.д. Подсчитано, что эксплуатационные расходы предприятий на содержание автомобилей и другой мас73
лонаполненной техники снижаются в среднем на 25 %. Снижение затрат в
первую очередь обусловлено уменьшением расходов на закупку запасных
частей, ремонтные работы, простои техники из-за неполадок. Дополнительную экономию дает уменьшение расхода масла и топлива, так как масло меняется по фактической необходимости, а своевременное устранение неисправностей позволяет экономить горюче-смазочные материалы.
Экспресс-оценка работавшего масла имеет ряд существенных преимуществ:
− сократит время простоя автомобиля в ожидании ремонта;
− возможные неисправности двигателей выявляются на самой ранней
стадии их возникновения;
− смена масла может выполняться не после заданного пробега, а в связи
с действительной утратой им работоспособности;
− позволит значительно уменьшить расходы на лабораторные испытания смазочного материала.
Для характеристики изменения состояния моторного масла с наработкой, как известно, используется как единичные, так и комплексные (интегральные или обобщенные) показатели. Для интерпретации масла, как элемента конструкции и установлении связи между качеством масла и надежностью ДВС целесообразно выбрать наиболее представительный показатель
состояния моторных масел из числа информативных.
Относительная диэлектрическая проницаемость (ε) современных минеральных, полусинтетических и синтетических не работавших моторных масел может изменяться в пределах 2,3 - 2,6 и зависит как от природы базового
масла, так и от пакета вводимых присадок. Относительная диэлектрическая
проницаемость моторного масла является интегральным показателем и имеет
корреляционную связь с коксуемостью; с кислотным числом; с содержанием
воды; с продуктами изнашивания. Диэлектрическая проницаемость является
одним из наиболее информативных показателей качества моторного масла.
Между вязкостью и механической загрязненностью есть хорошая корреляци74
онная связь, а это свидетельствует, что измеряя диэлектрическую проницаемость можно прогнозировать достаточно точно и все остальные значимые
параметры.
3.2.3
Контроль
температурного
режима
и
количественного
изменения моторного масла в условиях эксплуатации
На повышение термической напряженности моторных масел воздействуют отдельные конструктивные решения: использование наддува, применение герметизированной системы охлаждения (увеличивает температуру
поршня на 10-20 °С), уменьшение объема системы смазки двигателя, масляное охлаждение поршней и др. На вероятность термического и механического разрушения масляной пленки в основных сопряженных парах двигателя в
условиях высокой тепловой напряженности и интенсивного контакта его деталей с нагретыми газами влияет интенсификация процесса окисления масла
и нарушение нормальной работы двигателя за счет возможного износа деталей, загрязнение продуктами окислительной полимеризации углеводородов
масла и топлива с последующим закоксовыванием поршневых колец, забивкой дренажных отверстий, масляных каналов и т.д. Снижается надежность
работы ДВС, возрастают затраты на техническое обслуживание. Загрязнение
масла и топлива продуктами окисления способствует возникновению аварийных ситуаций и выходу двигателя из строя [23].
В процессе эксплуатации автомобиля происходит как качественное, так
и количественное изменение моторного масла. При эксплуатации различных
моделей автомобилей случаи выхода двигателя из строя по причине недостаточной смазки (режим «масляного голодания») встречаются наиболее часто.
Общим для всех случаев является очень низкое давление или вообще его отсутствие в системе смазки двигателя. Режим «масляного голодания» возможен как у старых, изношенных двигателей, так и у новых, прошедших всего
несколько тысяч километров. Причины его появления практически всегда (за
75
редким исключением) вызваны неграмотной эксплуатацией и (или) неквалифицированным обслуживанием автотранспортных средств [6].
Работоспособность двигателей во многом зависит от правильного
функционирования смазочной системы или ее функционального состояния.
Под функциональным состоянием понимается состояние системы, при котором она способна выполнять свою основную функцию  минимизировать изнашивание сопряженных деталей за счет нормализации режимов трения
между ними, а также исключать термические деформации наиболее нагруженных элементов путем отвода от них избыточного тепла. В ходе эксплуатации транспортного средства, важно соблюдать температурный режим:
необходимо систематически следить за тем, чтобы тепловое состояние двигателя не выходило за пределы, обеспечивающие его надежную работу. На
приборной панели автобуса расположен указатель температуры двигателя,
необходимый для контроля его теплонагруженности.
Поддержание требуемого уровня масла в картере двигателя призвано
обеспечивать необходимый температурный режим деталей двигателя, вынос
продуктов износа из пар трения, а также оптимальные условия смазки за счет
присутствующего в масле пакета присадок. В эксплуатации происходит
уменьшение объема масла в картере из-за утечек и угара, а также изменение
его свойств вследствие старения. Это приводит к нарушению функционального состояния смазочной системы, повышению температуры масла, нарушению нормального режима смазки и интенсификации изнашивания деталей.
Выполнение периодической профилактики смазочной системы (например, долив масла до требуемого уровня) позволяет восстанавливать ее функциональное состояние, снизить температуру масла, обновить присадки, что, в
целом, повысит ресурс двигателя.
В настоящее время недостаточно научно обоснованы параметры режима долива (периодичность и объем) моторного масла у форсированных авто76
мобильных газовых двигателей, и значительное количество таких двигателей
длительно эксплуатируется с не рациональным объемом масла, что приводит
к сокращению их ресурса. Таким образом, исследования, направленные на
повышение эффективности эксплуатации форсированных автомобильных
двигателей за счет поддержания функционального состояния смазочной системы в эксплуатации, являются актуальными.
С точки зрения температурного режима работа двигателя на газовом
топливе сопряжена с более высокими температурными нагрузками в сравнении с бензиновым ДВС. Это связано со свойствами самого энергоносителя.
Понижение температуры моторного масла в конструкции газового двигателя
КАМАЗ автобусов НЕФАЗ производится посредством водомасляного теплообменника, установленнного на масляном фильтре и включающегося посредством термоклапана. При превышении температуры масла выше 120 С срабатывает датчик температуры и на щитке приборов загорается сигнальная
лампочка [46].
При работе на пониженном тепловом режиме происходит ускорение
образования шламов. Предотвращению образования шламов способствуют
высокие диспергирующие свойства масла.
Понижение температуры ниже критической резко повышает темп износа деталей ДВС в связи с интенсификацией жидкостной коррозии. Что
происходит, прежде всего, в период пуска двигателя (зимой и в осенневесеннее время года – значительнее), а также при эксплуатации с частыми и
длительными остановками.
Оптимальной температурой масла в картере ДВС является такая температура, при которой обеспечивается минимальный удельный расход топлива. Обычно она находится в пределах 95–100 °С. Превышение критической
температуры масла в картере (115–120 °С) приводит к снижению надежности
работы двигателя: температура в подшипниках достигает 150–155 °С, в цилиндропоршневой группе на расстоянии 30–40 мм от верха цилиндра – 200–
77
210 °С (зона максимальной скорости поршня). В целом при повышении температуры масла в картере двигателя наблюдается ухудшение большинства
его показателей. Срабатывание присадок приводит к изменению многих показателей качества масла: снижается щелочное число, ухудшаются моющие
свойства, повышается коррозионность, а также идет большой расход масла
на угар. В процессе эксплуатации автотранспорта происходит не только
ухудшение первоначальных качеств моторного масла, но и уменьшение его
количества в двигателях. При малом удельном (на единицу мощности двигателя) количестве масла, ускоряются процессы его старения, увеличивается
скорость нагарообразования и износа. Заниженный показатель уровня масла
в двигателе, приводит к более быстрому его нагреву.
Угар масла предопределяется следующими факторами: сгоранием, испарением, утечками и выбросом масла через систему вентиляции картера.
Величина угара характеризует экономичность эксплуатации двигателей и зависит от степени износа поршневых колец и других уплотнительных элементов, конструктивных особенностей двигателя и режима его работы, свойств
самого масла. Угар определяют, как разность между количеством масла, которое было залито в двигатель, и тем, которое слили из него при смене. Учитывают также количество масла, добавлявшегося в период между сменами.
С повышением частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель угар масла возрастает. Причин этого явления несколько: на стенки цилиндра и надпоршневое пространство вследствие насосного действия поршневых колец попадает больше масла, уменьшается вязкость масла из-за роста
его температуры. При ухудшении технического состояния двигателя угар
резко возрастает: в 3-4 раза.
Дефицит масла в двигателе приводит к возникновению избыточного
трения между рабочими элементами силовой установки транспортного средства. Это вызывает дополнительный износ деталей, которые достаточно
быстро приходят в негодность и требуют замены. Эксплуатация двигателя с
недостаточным уровнем масла вредна и приводит к снижению его эксплуа78
тационных качеств. Своевременная замена масла и поддержание его соответствующего уровня являются ключом к нормальной и продолжительной работе двигателя.
Одним из способов совершенствования технологии технического обслуживания системы смазки двигателей внутреннего сгорания является
определение количества моторного масла и его пополнение с помощью автоматической системы наполнения масла для двигателей. Автоматическая система наполнения масла предназначена для двигателей внутреннего сгорания, непрерывно работающих и имеющих повышенную потребность в масле,
для постоянного контроля над оптимальным уровнем масла. Данная система
состоит из бака, запираемой крышки, чувствительного стержня, тестового
выключателя, масляного шланга, сигнального кабеля и кабеля цепи управления (рисунок 3.7).
Система автоматически проверяет уровень масла в двигателях внутреннего сгорания, оснащена измерительным стержнем и электронным блоком управления. Микроэлектронные компоненты блока управления регулярно проводят измерения при помощи специального программного обеспечения. При выявлении минимального уровня масла программное обеспечение
включает насос, который закачивает моторное масло до предварительно выбранного уровня [45].
Закрытая автоматическая система предназначена для того, чтобы
уменьшить загрязнение масла за счет попадания различных примесей при
ручной заправке. Кроме того, данная система позволяет снизить загрязнение
окружающей среды при эксплуатации транспорта: наполнение производится
сверху через крышку вентиля, а не через сливную пробку, при этом уменьшается опасность переполнения масла и утечки, не требуется проводить заправку маслом до времени технического обслуживания, например, в пути из
канистр.
79
1 – двигатель; 2 – масляный шланг; 3 – система с интегрированным
блоком управления; 4– соединительный кабель; 5 – клавиши с подсветкой; 6
– подключение к выключателю приборов и стартера; 7, 8 – подключение к
электропитанию; 9 – центральный блок, кабина водителя; 10 – смонтированный кабель; 11 – чувствительный стержень с внутренним кабелем (подсоединение к поз. 1)
Рисунок 3.7  Автоматическая система наполнения масла
Таким образом, применение закрытой автоматической системы для
наполнения моторным маслом позволяет: сохранить работоспособность
ДВС, сократить расход и сохранить качество свежего масла, поддерживать
его соответствующий уровень, а также предупредить загрязнение окружающей среды, что выгодно с экологической и экономической стороны.
3.2.4
Оценка
патентного
задела
по
устройствам
контроля
моторного масла
Оценка изменений состава масла может быть как качественной, так и
количественной. Количественные изменения происходят при испарении легких масляных фракций, сгорании масла (угар масла), частичном вытекании
через уплотнения. Качественные изменения связаны с окислением масла и с
80
химическими превращениями его компонентов, попаданием в масло пыли,
продуктов износа деталей, воды и несгоревшего топлива. Уменьшение количества и ухудшение качества работающего моторного масла может привести
к выходу современного высокофорсированного двигателя из строя.
Выполнение периодической профилактики смазочной системы (например, долив масла до требуемого уровня) позволяет восстанавливать ее функциональное состояние, снизить температуру масла, обновить присадки, что, в
целом, повысит ресурс двигателя.
В МУП «ГПТ» в период с 20 июня 2017 года по 1 июля 2017 года были
проведены измерения расхода масла газовыми двигателями КАМАЗ
мод.820.61-260 укомплектованными ЦПГ мод. «114». В МУП «ГПТ» г. Белгород находятся в эксплуатации 40 автобусов НЕФАЗ 5299-30-31 с газовым
двигателями КАМАЗ мод.820.61-260. Автобусы эксплуатируются на городских маршрутах. На начало измерений 20.06.2017 года из 11 автобусов с
установленными на них двигателями, укомплектованными ЦПГ мод. «114»
два находились на ремонте по замене ЦПГ из-за прогорания поршня и разрушения свечи зажигания 1 цилиндра. После проведения ремонта и установки головок цилиндров с манжетами втулок направляющих клапанов ф.
«Freudenberg» доставленными из ОАО «КАМАЗ» 24.06.2017 года, автобусы
были направлены в МУП «ГПТ» и представлены для проведения измерений.
Три автобуса отремонтированные в ООО «КАМАЗцентр» путем замены, на
поставленные из ОАО «КАМАЗ», отремонтированные двигатели также были
представлены для проведения измерений. Двигатели автобусов были заправлены маслом «Petro-Canada Setron Fleet 10w-40». В процессе измерений масло доливалось ежедневно до верхнего уровня щупа мерной кружкой с точностью 50 мл. Крен и дифферент положения автобусов измерялся с помощью
строительного уровня длинной 400 мм. При этом фиксировались суточные
пробеги автобусов. Был выявлен увеличенный расход моторного масла по
сравнению с нормативным.
81
В ходе прохождения практики и подготовки к ВКР были проанализированы существующие устройства для контроля уровня моторного масла.
Целью поиска информации является формирование базового пакета патентно-информационных ресурсов с целью изучения отечественного и зарубежного опыта создания систем диагностирования и контроля, подбор аналогов
и прототипов для формирования заявок на выдачу патентов.
Подготовлена заявка на выдачу патента на полезную модель «Устройство для контроля моторного масла в двигателе внутреннего сгорания».
Заявленное устройство для контроля моторного масла относится к конструктивным элементам смазочных систем двигателей внутреннего сгорания
и может быть использовано для проверки уровня моторного масла в смазочной системе двигателя.
Технической задачей полезной модели является повышение точности
контроля моторного масла при простоте обслуживания в условиях эксплуатации.
Это достигается тем, что устройство для контроля моторного масла в
двигателе внутреннего сгорания содержит расположенный в поддоне картера
стержень, на котором жестко закреплены магнитные датчики высокого и
низкого уровня моторного масла. Устройство содержит поплавок с возможностью вертикального перемещения, снабженный магнитными пластинами.
В предложенном решении на стержне, ниже магнитного датчика низкого
уровня моторного масла, но выше уровня оседания примесей, фотодатчик
для определения загрязненности моторного масла, и емкостной датчик для
определения качества моторного масла.
Для обеспечения удобства установки и простоты обслуживания
устройство может иметь жестко прикрепленную к нижнему торцу стержня
сливную пробку.
Полезная модель поясняется чертежом, на рисунке 3.8 показана схема
поддона картера ДВС с установленным устройством для контроля моторного
масла в ДВС.
82
Рисунок 3.8 – Схема устройства для контроля масла в ДВС
Устройство расположено в поддоне картера 1 ДВС и состоит из сливной пробки 2, на которой жестко, например сваркой, и соосно с ней закреплен стержень 3. На стержне 3 расположен поплавок 4 с возможностью вертикального перемещения. Поплавок 4 имеет верхнюю 5 и нижнюю 6 магнитные
пластины. Вертикальный ход поплавка 4 ограничивают магнитные датчики
высокого 7 и низкого 8 уровня моторного масла, жестко закрепленные,
например сваркой, на стержне 3. На стержне 3, ниже магнитного датчика
низкого 8 уровня моторного масла, но выше уровня оседания примесей,
жестко закреплены, например сваркой, фотодатчик 9 для определения загрязненность моторного масла, имеющий фотоэлемент 10 и светодиод 11, и
емкостной датчик 12 для определения качества масла, имеющий, вставленные друг в друга, емкостные электроды 13,14. В корпусе фотодатчика 9 и емкостного датчика 12 проделаны отверстия 15. Магнитные датчики высокого 7
и низкого 8 уровня моторного масла, фотодатчик 9 и емкостной датчик 12
соединены выводами 16 с дисплеем 17, через массу 18 автомобиля с заземлением дисплея 17 на природной панели. Устройство снабжено предохранителем 19 и источником тока 20 от бортовой сети автомобиля с ключом.
83
Работа устройства для контроля моторного масла в ДВС осуществляется следующим образом:
При включении источника тока 20, например зажигания автомобиля,
ток в +12, 24V поступает на магнитные датчики высокого 7 и низкого 8
уровня масла. При повышении уровня моторного масла в поддоне картера 1
ДВС поплавок 4 поднимается по стержню 3 и соприкасается верхней магнитной пластиной 5 с магнитным датчиком высокого 7 уровня моторного масла,
который по выводам 16 подает сигнал на дисплей 17 о наличии избыточного
уровня моторного масла в системе смазки ДВС. При понижении уровня моторного масла в поддоне картера 1 ДВС поплавок 4 опускается по стержню 3
и соприкасается нижней магнитной пластиной 6 с магнитным датчиком низкого 8 уровня моторного масла, который по выводам 16 подает сигнал на
дисплей 17 о наличии минимального уровня моторного масла в системе
смазки ДВС. Одновременно ток в +12, 24V поступает на фотодатчик 9 и емкостной датчик 12. Благодаря конструкции фотодатчика, через отверстия 15
беспрепятственно поступает моторное масло в полость, между светодиодом
11 и фотоэлементом 10. Светодиод 11 подает луч света на фотоэлемент 10
через моторное масло, таким образом, определяя загрязненность моторного
масла по наличию растворимых или нерастворимых частиц, и далее выводит
данные на дисплей 17. В корпусе емкостного датчика 12, также имеются отверстия 15 для беспрепятственного поступления моторного масла в полость к
емкостным электродам 13,14. Емкостной датчик 12 работает по принципу
замера диэлектрической проницаемости масла, между емкостными электродами 13,14 определяя качество моторного масла по наличию воды или топлива, а также по щелочному или водородном показателю и далее выводит
данные на дисплей 17. Выводы 16, идущие от магнитных датчиков высокого
7 и низкого 8 уровня моторного масла и фотодатчика 9, находятся в стержне
3, выводятся через сливную пробку 2 и имеют заземление через массу 18 автомобиля. Во избежание выхода из строя устройства, при перепаде напряже84
ния тока, на выводах 16, установлен предохранитель 19. Устройство подключается к штатной электропроводке автомобиля и не требует сложных работ.
Предлагаемая система контроля состояния моторного масла в ДВС
позволяет повысить точность контроля моторного масла, за счет одновременного определения его качества и количества, при простоте отслеживания
в условиях эксплуатации.
Благодаря установке фотодатчика и емкостного датчика на стержень,
выше уровня оседания примесей, например углеродистых отложений в виде
смолы, шлама, нагара, лака, уменьшается вероятность их загрязнения, т.е.
повышается точность контроля состояния моторного масла. Помимо повышения точности контроля моторного масла, без усложнения конструкции
ДВС, предложенное решение позволяет снизить затраты на обслуживание
устройства.
Формула полезной модели
1. Устройство для контроля моторного масла в двигателе внутреннего
сгорания, содержащее расположенный в поддоне картера стержень, на котором жестко закреплены магнитные датчики высокого и низкого уровня моторного масла и поплавок с возможностью вертикального перемещения,
снабженный магнитными пластинами, отличающееся тем, что на стержне,
ниже магнитного датчика низкого уровня моторного масла, но выше уровня
оседания примесей закреплены фотодатчик для определения загрязненности
моторного масла и емкостной датчик для определения качества моторного
масла.
2. Устройство для контроля моторного масла по п.1, отличающееся
тем, что к нижнему торцу стержня жестко прикреплена сливная пробка.
3.2.5 Восстановление работоспособности моторных масел в условиях эксплуатации
В последнее время, в связи с активным развитием и совершенствованием
техники, а также повышением ее удельных энергетических нагрузок, особое
85
внимание уделяется вопросам экологии. Это в полной мере распространяется
на технику, оборудованную ДВС. На загрязнение окружающей среды, при эксплуатации ДВС, большое влияние оказывают топлива вследствие выделения
отработавших газов, образующихся в рабочем процессе и поступающих в
окружающую атмосферу. Вместе с тем наибольшую токсичность отработавшим газам придают моторные масла, сгорающие вместе с топливом [49].
Изменение состава атмосферы может нарушаться вследствие выброса в
нее отработавших газов двигателя. При этом на твердых частицах выхлопных
газов, преимущественно аккумулируются канцерогенные вещества, источниками которых, как правило, являются работающие моторные масла.
В процессе эксплуатации моторные масла влияют на загрязнение
окружающей среды через угар, испарение, утечки (протечки) и проливы. При
этом во всех случаях, эти процессы зависят от особенностей конструкции, режима эксплуатации, напряженности работы масла и его химического состава.
Так, например, в автомобильном двигателе моторное масло расходуется несколькими способами:
− через поршневые кольца оно попадает в камеру сгорания, где сгорает
или / и испаряется и выбрасывается в воздух с выхлопными газами;
− по штокам впускного и выпускного клапанов оно попадает прямо в
камеру сгорания или непосредственно в выхлопную систему;
− через коленчатый и кулачковый валы масло проникает в атмосферу;
− через выпускную систему масляного картера оно попадает в атмосферу или в систему впуска двигателя.
Требования безопасности к системе смазки должны быть предложены
исходя из факторов, оказывающих негативное воздействие на человека,
окружающую среду.
Моторное масло, качество которого вышло за рамки допустимых пределов, не может быть использовано без проведения управляющих воздействий, направленных на частичное или полное восстановление его эксплуатационных свойств. Частичное восстановление эксплуатационных свойств
86
масел проводят на соответствующих постах зоны ТО эксплуатационного
предприятия или непосредственно на объекте с помощью оборудования передвижных станций.
Регенерация – самый предпочтительный для окружающей среды способ утилизации отработанного масла. Это позволяет продлить срок годности
смазки до бесконечности. Такой способ помогает экономить сырье (для производства 1 л отличного моторного масла требуется 1,6 л отработанного), а
также является экологически безопасным [31]. Для регенерации отработанных масел применяются разнообразные аппараты и установки, действие которых основано, как правило, на использовании сочетания физических, физико-химических и химических методов, что дает возможность регенерировать отработанные масла разных марок и с различной степенью снижения
показателей качества. Если в результате регенерации моторного масла не
удалось достичь первоначального качества, в него добавляют комплекс присадок, повышающих качество масла.
Отработанные автомобильные масла с присадками после регенерации
рекомендуется применять по прямому назначению в смеси со свежим маслом
той же марки, содержащим ту же присадку, в соотношении 1:4 [51].
В тех случаях, когда на эксплуатационных предприятиях отсутствует
установка для регенерации, необходимо собирать отработанные масла и готовить их к сдаче на нефтеперерабатывающие заводы для регенерации, что
регламентируется Федеральным законом «Об отходах производства и потребления», а также согласно «ГОСТ 21046-2015. Нефтепродукты отработанные. Общие технические условия» [19].
Комплекс мер по улучшению маслоиспользования в АТП позволяет
при снижении затрат достичь хороших общих результатов хозяйственной деятельности и предотвратить загрязнение окружающей среды.
Таким образом, своевременная замена моторного масла и поддержание
его соответствующего уровня, а также налаженная система регенерации масел позволяют: сохранить работоспособность ДВС, сократить расход свежих
87
масел, сохранить их качество, сократить энергетические расходы, что выгодно с экологической и экономической стороны.
Выводы по главе 3
При эксплуатации газового двигателя КАМАЗ мод. 820.61-260, установленного на автобусах НЕФАЗ 5299-30-31 были выявлены факторы нарушения температурного режима работы ЦПГ, что позволило установить влияние работы систем охлаждения и смазки. Опыт эксплуатации на МУП «ГПТ»
г. Белгорода автобусов НЕФАЗ, показал актуальность дальнейших исследований по выявлению путей повышения ресурса ДВС, работающего на газовом топливе.
Дана переоценка значения моторного масла, которое в данной конструкции играет роль защиты ДВС из-за отсутствия у газа смазочных
свойств. Научно обоснована необходимость для ДВС работающих на газообразном топливе применения моторных масел с дополнительными параметрическими характеристиками.
Для эффективной организации своевременного и качественного процесса обслуживания системы смазки газовых ДВС предлагается организация
мониторинга состояния и восстановления работоспособности моторных масел в условиях эксплуатации.
Выполнен патентный поиск устройств контроля моторного масла и
предложен прототип модернизированного устройства.
88
4.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
УСТРОЙСТВА
ДЛЯ
ТРАНСПОРТНЫХ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
КОНТРОЛЯ
СРЕДСТВ,
МОТОРНОГО
РАБОТАЮЩИХ
ВНЕДРЕНИЯ
МАСЛА
НА
ДЛЯ
ГАЗОВОМ
ТОПЛИВЕ
Внедрение устройства для контроля моторного масла позволит снизить
вероятность выхода двигателей КАМАЗ мод.820.61-260 из строя, что существенно снизит затраты предприятия на их ремонт.
Так как моторного участка на МУП «ГПТ» нет, ремонт оказывали сторонние организации. Цена ремонта одного двигателя обходится в пределах
40 000 руб.
Таблица 4.1 – Стоимость ремонта
№
1
Наименование
Капитальный ремонт двигателя
Стоимость, руб
от 32000,00
2
3
4
5
6
Ремонт блока цилиндров
Снять/поставить ДВС
Замена вкладышей коренных, шатунных
ГБЦ Снять/установить (включая подготовительный работы)
Гильза/поршень замена без снятия двигателя (Включая подготовительные работы) 1 цилиндр
Устройство для контроля моторного масла в двигателе внутреннего сгорания
12950
14200
11000
3500
3271
7
2080
В МУП «ГПТ» г. Белгорода находятся в эксплуатации 105 автобусов
НЕФАЗ 5299-30-31 с газовыми двигателями КАМАЗ мод.820.61-260. Автобусы эксплуатируются на городских маршрутах.
За первые 3 месяца, на начало измерений, из 105 автобусов, из строя
вышли 11 автобусов с установленными на них двигателями, укомплектованными ЦПГ мод. «114». Два двигателя - из-за прогорания поршня, и один - изза разрушения свечи зажигания 1 цилиндра, в дальнейшем потребовался ремонт ЦПГ. Результаты измерений остальных 9 двигателей КАМАЗ
мод.820.61-260 укомплектованными ЦПГ мод. «114» выявили ненорматив89
ный расход моторного масла, который в итоге привел к выходу из строя
ДВС. Таким образом в месяц на ремонт 3-х ДВС тратится в пределах 120 000
руб.
Предполагаемые причины – использование моторного масла несоответствующего качества, а также работа ДВС в неблагоприятных режимах,
что может быть причиной преждевременного старения и дефицита масла в
двигателе, в связи с чем необходимо проводить мониторинг качественного и
количественного состояния моторных масел в условиях эксплуатации, влияющего на эффективность работы системы смазки и работоспособность ДВС.
Дополнительная установка устройства для контроля моторного масла в
двигателе внутреннего сгорания на газовых двигателях КАМАЗ мод. 820.61260 позволит проводить диагностику количественных и качественных показателей моторного масла, и тем самым продлить срок службы ДВС.
Внедрение устройства для контроля уровня масла позволит сократить
капитальный ремонт двигателей, в таблице 4.2 приведено обоснование цены
на продукцию.
Таблица 4.2 – Цена на продукцию
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Наименование
Сливная пробка
Стержень
Поплавок
Магнитая плостна
Магнитный датчик уровня масла
Фотодатчик
Выводы
Дисплей
Заземление
Предохранитель
Всего
Кол-во
1 шт.
1 шт.
1 шт.
2 шт.
2 шт.
1 шт.
5м
1 шт.
0,5 м
1 шт.
Цена, руб
210
70
45
60
100
900
75
550
20
50
2080
Для организации сборки и установки устройства, потребуется нанять
специалиста, с заработной платой - 25 000 руб. В год планируется реализовывать 1000 устройств.
90
Таблица 4.3 – Затраты в год
№
1
2
3
4
Наименование
Оплата труда
Закупка комплектующих устройства
Коммунальные платежи
Непредвиденные расходы
Итого
Сумма, руб
300000
2080000
100000
50000
2530000
Себестоимость одного устройства будет складываться из постоянных
издержек. Таким образом
Су = 2530000 / 1000 = 2530 руб.
(108)
Для установки устройства на 105 автобусов, будет затрачено
У = 105 · 2530 = 265650 руб.
(109)
Размер рынка определяется конечными потребителями, в Белгородской
области, такими будут являться МУП «ГПТ», ТК «Экотранс», ООО «Белдорстрой» и частные владельцы транспортных средств.
Таблица 4.4 - Перечень транспортных средств МУП «ГПТ» г. Белгород
Тип транспортного
средства
Автобус
Автобус
Автобус
Автобус
Автобус
Автобус
Автобус
Автобус
Автобус
Троллейбус
Троллейбус
Троллейбус
Троллейбус
Всего
Тип
Год выпуска
Кол-во(шт)
Неман 5201-33
МАРЗ 5277
МАРЗ 5277-01
Mercedes-Benz O 560
НеФАЗ 5299-10-15
НеФАЗ 5299-10-33
НеФАЗ 5299-11-33
НеФАЗ 5299-30-31
ЛиАЗ 529370
ЗиУ – 682Г - 012
ЗиУ – 682Г - 012
Троллза – 5275.7
АКСМ – 42003-000000.00
2008
2007
2007
2005
2007
2011
2011
2013
2013
2002
2005
2011
2013
10
8
2
1
5
14
2
40
65
5
28
30
20
230
91
Таблица 4.5 - Перечень транспортных средств ТК «Экотранс»
г. Белгорода
Тип транспортного
средства
КАМАЗ
МАЗ
КАМАЗ
МАЗ
КАМАЗ
МАЗ
ЗИЛ
КАМАЗ
ГАЗЕЛЬ
УАЗ
KIA
ВАЗ
ЗИЛ
Илосос
КУМ
Всего
Тип
Год выпуска
Кол-во(шт)
Боковая загрузка
Боковая загрузка
Задняя загрузка
Задняя загрузка
Восьмикубовый
Восьмикубовый
Восьмикубовый
Газовый ДВС
1,01
2010
2007
2011
2005
2007
2007
2008
2014
2014
2007
2015
2009
2008
2007
2013
10
16
21
6
24
3
1
5
13
4
2
1
3
1
1
117
Устройство может устанавливаться не только на газовые ДВС, но и на
дизельные, таким образом, расширится рынок сбыта.
Рыночную цену установим с учетом уникальности инновации в размере 10000 руб., следовательно, выручка в первый год составит
В=10000 · 895 = 8950000 руб.
(110)
Затраты участка в первый год составят З=2530000 руб. Чистую прибыль найдем по формуле:
П = В-З
П = 8950000-2530000=6420000 руб.
(111)
(112)
Расчеты произведены только за счет продажи и установки устройств,
сторонним организациям.
92
Изменение прибыли на ближайшие три года, при увеличении инфляции
на 7, 9 и 11 %, и при увеличении продаж устройства на 10,15 и 20 %.
Таблица 4.6 – Расчет изменения прибыли с учетом инфляциии увеличением продаж
Год
2018
2019
2020
2021
Затраты, руб
Доход, руб
2530000
2707100
2950739
3275320
6420000
7062000
8121300
9745560
Прибыль, руб
3890000
4354900
11072039
13020880
Таким образом, установка устройства для контроля качества моторного
масла, позволит сократить затраты предприятия на ремонт двигателя внутреннего сгорания. А продажа и установка устройства сторонним организациям, при 100% загруженности, позволит получить прибыль в размере 3890000
руб. уже в первый год.
Вывод по главе 4
Дана оценка экономической эффективности внедрения устройства для
контроля уровня масла для транспортных средств, работающих на газовом
топливе.
Дополнительно установлены затраты на выполнение сервисных и ремонтных воздействий автобусов по поддержанию в работоспособном состоянии ДВС.
93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В пояснительной записке представлена выпускная квалификационная
работу на тему «Повышение эффективности работы системы смазки ДВС
транспортных средств, работающих на газовом топливе, на примере двигателей КАМАЗ-820.60-260 и КАМАЗ-820.61-260».
Выпускная квалификационная работу была выполнена в соответствии с
общими
требованиями
и
имеет
ярко
выраженную
практико-
ориентированную направленность.
Во введении сформирована проблема и раскрыта актуальность разрабатываемой темы, выявлен объект и предмет исследования. В соответствии с
формулированной целью были поставлены задачи, содержание которых раскрыто в основной части пояснительной записки.
В результате выполненной работы можно сделать следующие выводы:
1. Исследованы конструктивные особенности системы смазки газовых
двигателей на примере двигателей КАМАЗ-820.60-260 и КАМАЗ-820.61-260.
2. Осуществлена оценка влияния качественного и количественного состояния моторных масел на эффективность функционирования смазочной
системы газовых двигателей.
3. Выполнена оценка работоспособности системы смазки газового двигателя путем выполнения поверочного теплового расчета при различных
условиях эксплуатации.
4. При эксплуатации газового двигателя КАМАЗ мод. 820.61-260, установленного на автобусах НЕФАЗ 5299-30-31 были выявлены факторы нарушения температурного режима работы ЦПГ, что позволило установить влияние работы систем охлаждения и смазки.
5. Научно обоснована необходимость применения моторных масел с
дополнительными параметрическими характеристиками для ДВС, работающих на газообразном топливе.
94
6. Выполнен патентный поиск устройств контроля уровня моторного
масла и предложен прототип модернизированного устройства.
7. Дана оценка экономической эффективности внедрения устройства
для контроля уровня масла для транспортных средств, работающих на газовом топливе.
При выполнении выпускной квалификационной работы использовались различные справочные и методические материалы, учебная литература,
нормативная документация, электронные ресурсы.
95
Список использованных источников
1. Автобус НЕФАЗ-5299-31 и его исполнения. Руководство по эксплуатации
5299-31-3902003 РЭ, ОАО «НЕФАЗ», Нефтекамск, 2010.
2. БЭКойл
//
G-PROFI
CNG
15W-40
URL:
http://www.bkoil.ru/g-
energy/Masla_dlja_kommercheskogo_avtotransporta/G-Profi_CNG_15W-40.
3. Васильева Л. С. Эксплуатационные материалы для подвижного состава
автомобильного транспорта: Учебник для вузов. / Л. С. Васильева – М.:
Наука, 2014. 423 с.
4. Венцель Е. С., Жалкин С. Г., Данько Н. И. Улучшение качества и повышение сроков службы нефтяных масел. / Е. С. Венцель, С. Г. Жалкин, Н. И.
Данько – Харьков: УкрГАЖТ, 2003. 168 с.
5. Венцель С. В. Применение смазочных масел в двигателях внутреннего
сгорания. / Е. С. Венцель – М.: Химия, 1979. 240 с.
6. Внедрение методов экспресс контроля моторного масла для повышения
надежности современных двигателей / А. А. Хазиев, Д. И. Савватеев // Сб.
трудов
по
материалам
65-ой
научно-методической
и
научно-
исследовательской конференции МАДИ (ГТУ) – М.: МАДИ(ГТУ), 2007. С.
104-109.
7. Газобаллонные автомобили: Справочник / А. И. Морев, В. И. Ерохов, Б.
А. Бекетов и др. – М.: Транспорт, 1992. 175 с.
8. Газомоторное
топливо
//
ПАО
«Газпром»
URL:
http://www.gazprom.ru/about/production/ngv-fuel/.
9. Голосов А.Н. Эксплуатация автомобилей на компримированном природном газе // АВТО транспорт. 2013. №2. С. 7–10.
10. ГОСТ 21046-2015. Нефтепродукты отработанные. Общие технические
условия.
11. ГОСТ 27577–2000. Газ природный топливный компримированный для
двигателей внутреннего сгорания. Технические условия.
96
12. Григорьев М. А., Бунаков Б. М., Долецкий В. А. Качество моторного масла и надежность двигателей. / М. А. Григорьев, Б. М. Бунаков, В. А. Долецкий – М.: Изд-во стандартов, 1981. 232с.
13. Губарев А.В. Конструкции и работа механизмов и систем двигателя внутреннего сгорания: лабораторный практикум: учеб. пособие. / А. В. Губарев –
Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. – 114 с.
14. Губарев А.В. Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания: методические указания к выполнению курсовой и расчетно-графической работы / А.
В. Губарев – Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. 64 с.
15. Датчик
качества
масла
//
Автоэлектрика
URL:
http://avtolektron.ru/diagnostika-dvigatelya/datchiki/datchik-kontrolya-kachestvamasla-ford.
16. Долгова Л. А., Салмин В. В. Методика определения показателей качества
моторного масла на основе теории подобия // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL:
http://web.snauka.ru/issues/2015/02/48863.
17. Дунаев А. В. Экспресс-контроль масла для снижения износов и предотвращения аварий моторов – каждому механизатору // Теоретический и научно-практический журнал «Машинно-технологическая станция – МТС» URL:
http://www.gosniti.ru/magazin/N1_2009/control.html.
18. Дунаев А. В. Экспресс-контроль масла для снижения износов и предотвращения аварий моторов / А. В. Дунаев // Горный информационноаналитический бюллетень (научно-технический журнал). Изд-во: Горная
книга (Москва). Т. 16. № 12. 2009. С. 420428.
19. Закон Российской Федерации "Федеральный закон "Об отходах производства и потребления" " от 24.06.1998 № 89-ФЗ // Ведомости Съезда народных депутатов Российской Федерации и Верховного Совета Российской Федерации.
97
20. Карта АГНКС // ООО «Газпром газомоторное топливо» URL: gazpromagnks.ru/.
21. Картошкин А. П. Смазочные материалы для автотракторной техники:
Справочник: учеб. пособие. / А. П. Картошкин – М. Издательский центр
«Академия», 2012. 240 с.
22. Клементьев А. С. Анализ эффективности автомобилей при конвертации
двигателей внутреннего сгорания на компримированный природный газ. Автореферат на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Ижевск: ИжГТУ, 2012.
23. Костенко В. И. Эксплуатационные материалы (для автомобильного
транспорта): учеб. пособие. / В. И. Костенко, В. И. Сидоркин, Т. К. Екшикеев, В. А. Янчеленко – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2005. 165 с.
24. Лиханов В. А. Применение и эксплуатация газобаллонного оборудования:
учебн. пособие / В. А. Лиханов, Р. Р. Деветьяров – Киров: Вятская ГСХА,
2006. 183 с.
25. Масла для газовых двигателей // Гемос Лимитед URL: http://www.miningmedia.ru/ru/article/prommat/1611-masla-dlya-gazovykh-dvigatelej.
26. Моторные масла для газовых двигателей // Trendmagic Russia URL:
http://motornoe.com/motornoe-maslo/motornye-masla-dlya-gazovyhdvigatelei.html.
27. Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном
транспорте. Методические рекомендации: утв. Минтранс России, № АМ-23-р
от 14.03.2008.
28. Нигматуллин Р. Г. Диагностика ДВС по анализу моторного масла / Р. Г.
Нигматуллин, В. Р. Нигматуллин, И. Р. Нигматуллин – Уфа, 2011. 297 с.
29. ООО
«Газпромнефть
–
Смазочные
материалы»
URL:
http://www.gazpromneft-oil.ru/clients/gpn.nsf/all/m03-02-02?opendocument.
30. О расширении использования природного газа в качестве моторного топлива // Правительство России URL: http://government.ru/docs/1839/.
31. Отходы синтетических и минеральных масел // «Веб СЭС Инфо» URL:
http://webses.info/publ/105-1-0-1211.
98
32. Паничкин А. В. Оценка ресурса двигателя автобусов, работающих на газовом топливе, эксплуатируемых в режиме городских перевозок пассажиров /
А. В. Паничкин, Н. В. Голубенко // Мир транспорта и технологических машин. 2015. № 3 (50). С. 123–129.
33. Патент на полезную модель №164804 «Устройство для контроля уровня
масла » / Латышев С. В., Голубенко Н. В., Севрюгина Н. С. // ФИПС URL:
http://www1.fips.ru/wps/portal/IPS_Ru#1529093158544
34. Патент на полезную модель №2578754 «Устройство для контроля масла в
ДВС» / Семенов А. А., Салмин В. В., Артемов И. И., Войнов А. А., Долгова
Л.А. // ФИПС URL: http://www1.fips.ru/wps/portal/IPS_Test.
35. Перечень горюче-смазочных материалов и специальных жидкостей, рекомендованных к применению в узлах и агрегатах автомобилей КАМАЗ //
ПАО
«КАМАЗ»
URL:
http://www.kamaz.ru/purchase-and-
services/services/perechen-goryuche-smazochnykh-materialov/.
36. Попов
С.
Ю.
Повышение
эксплуатационных
свойств
ремонтно-
восстановительных составов при их использовании в двигателях тракторов:
автореф. дис. канд. тех. наук: 05.20.03. Мичуринск-наукоград РФ, 2014. 22 с.
37. Природный газ: инновации в транспортном комплексе // Аналитический
центр
«ЭКСПЕРТ»
URL:
http://www.acexpert.ru/archive/nomer-30-34-
654/prirodniy-gaz-innovacii-v-transportnom-komplekse.html.
38. Расширение использования природного газа в качестве моторного топлива (подготовлен Минтрансом России 18.04.2017) // ООО «НПП «ГАРАНТСЕРВИС» URL: http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/56608756/#review
39. Руководство по эксплуатации 820.60 - 3902001 РЭ. Двигатели транспортные газовые КАМАЗ-820.60-260, КАМАЗ-820.61-260., ОАО «КАМАЗ»,
Набережные Челны, 2007.
40. Руководство по эксплуатации. Шасси автобусное КАМАЗ-5297-31, ОАО
«КАМАЗ», Набережные Челны, 2013.
41. Сафонов А. С. Химмотология горюче-смазочных материалов / А. С. Сафонов, А. И. Ушаков, В. В. Гришин – СПб.: НПИКЦ, 2007. 488 с.
99
42. Севрюгина Н. С. Метод оценки дисперсной системы «поверхность трения
- моторное масло» в двигателях СДМ / Н. С. Севрюгина Н.С., Н. В. Голубенко // Сборник: Инновационные материалы, технологии и оборудование для
строительства современных транспортных сооружений. БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2013. С. 226–230.
43. Севрюгина Н. С. Организация эффективного использования смазочных
материалов самоходной техники: учеб. пособие / Н. С. Севрюгина – Орел:
ОрелГТУ, 2005. 147 с.
44. Севрюгина Н. С. Совершенствование методов управления надежностью
строительных и дорожных машин путем мониторинга моторных масел. Автореферат на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. – Орел: ОрелГТУ, 2004.
45. Система
наполнения
маслом
//
LINCOLN
URL:
http://www.lincolnindustrial.ru/system_of_oil_napolnation.html.
46. Система смазки двигателя КамаЗ // Учебные материалы онлайн URL:
https://studwood.ru/1628785/tehnika/termoklapan.
47. Требования, предъявляемые к современным моторным маслам // promoil промышленные масла и смазки url: http://www.promoil.com.ua/article61.html.
48. Фитч Дж., Троейер Д. Анализ масел. Основы и применение / Дж. Фитч, Д.
Троейер – СПб.: Профессия, 2015. 166 с.
49. Чудиновских А. Л. Моторное масло как важный объект химмотологии /
А. Л. Чудиновских, Б. П. Тонконогов, В. Л. Лашхи. – М.: ООО «Издательский дом Недра», 2014.
50. Чудиновских А.Л. Разработка научных основ химмотологической оценки
автомобильных моторных масел: дисс. докт. техн. наук: 05.17.07 / А.Л. Чудиновских. РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина. Москва, 2016.
51. Шашкин П. И. Регенерация отработанных нефтяных масел. 2-е изд. / П.
И. Шашкин, И. В. Брай – М.: Химия, 1970. 300 с.
52. Экспресс-лаборатория для оценки качества масла // ГНУ ВИИТиН URL:
http://www.viitin.tamb.ru/files/033.html.
100
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа