Влияние конструктивных параметров двигателя на величину пульсаций потока картерного газа

Введение. Для оценки технического состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателей применяется множество методов и способ о в . О д н и м из самых популярных и простых в р е а л и з ации является метод по расходу картерных газов [1–3].

Одним из недостатков этого метода является его высокая погрешность [2, 3]. Она связана в первую очередь с тем, что при измерении расхода картерных газов приходится встречаться с таким отрицательным эффектом, как их пульсация [4–6].

Установлено, что величина пульсаций картерных газов у разных конструкций двигателей сильно отличается, и погрешность рассмотренного метода широко варьируется.

В результате этого применение метода целесообразно только для тех двигателей, у которых величина пульсаций входит в определённые пределы.

Цель работы. Исследование влияния конструктивных параметров двигателя внутреннего сгорания на величину пульсаций картерного газа.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

• 1)    выявить причину отличия величины пульсаций картерных газов у разных конструкций ДВС;

• 2)    определить наиболее подходящие конструкции двигателей для оценки состояния ЦПГ по расходу картерных газов.

Методы исследования. При реализации метода оценки состояния ЦПГ по расходу картерного газа, как правило, испытания проводятся при отключенной системе вентиляции картера. То есть все каналы двигателя, отвечающие за вентиляцию его картера, герметизируются, в маслоналивную горловину устанавливается датчик расхода картерных газов [2, 3].

Газы выходят через датчик с переменной по величине скоростью. Амплитуда пульсации достигает своих максимальных значений преимущественно на малых частотах вращения вала двигателя, возникает высокоамплитудный гул. При этом направление истечения газов из сапуна в режиме холостого хода может иметь переменный характер. То есть газы пульсируют во взаимно противоположные стороны, создаётся эффект «дыхания».

В замкнутой среде картера двигателя при его работе создаётся динамический фон [5, 6].

Главными причинами этого фона являются:

• -    естественный динамический фон внутри картера;

• -    прорыв газов через ЦПГ в момент разных тактов.

Естественный динамический фон в картере двигателя является следствием сложнейших гидравлических, процессов происходящих в картере.

Предлагается разделить его на две составляющие:

• -    динамическое перетекание среды внутри картера (картерного газа);

• -    периодическое изменение объема картера.

Динамическое перетекание среды внутри картера (картерного газа) происходит из объема, вымещаемого поршнем, в объём, освобождаемый поршнем (при одновременном их движении во взаимно противоположные направления). Также оно вызывается движущимися деталями механизмов внутри картера двигателя, главным образом вращающимся коленчатым валом. Это является причиной постоянного вихреобразования газов внутри картера, что вызывает незначительные пульсации, а в основном низкоамплитудный гул.

Периодическое изменение объема картера является главной причиной больших пульсаций картерного газа (высокоамплитудный гул), особенно на низких частотах вращения вала двигателя. Оно происходит за счёт движения поршней, выполняющих роль вытеснителей объема картера. И, следовательно, зависит от следующих конструктивных параметров:

• -    количество цилиндров;

• -    расположение цилиндров;

• -    угол заклинки коленвала.

Очевидно, что для рядного четырёхцилиндрового двигателя периодическое изменение объема картера должно сводиться к нулю, так как при его работе две пары поршней движутся синхронно во взаимно противоположных направлениях, тем самым компенсируя увеличение и уменьшение объемов картера (рис. 1).

Рис. 1. Расположение цилиндров в крайних точках

Но необходимо обратить особое внимание на то, что в кривошипно-шатунном механизме шатун совершает сложное плоскопараллельное движение. И при повороте коленчатого вала на 90 градусов поршень, двигающийся от верхней мёртвой точки, проходит более половины сво- его пути на величину, называемую поправкой Ф. Брикса (рис. 2) [7]

R² a =     ,

2L

где а - поправка Ф. Брикса ; R - радиус кривошипа; L - длина кривошипа.

В результате поравнявшиеся поршни в сумме вытесняют объём картера на величину, рав- где S – площадь поршня; V – изменение объема картера двигателя.

ную

V = 4 X а X S ,           (2)

Рис. 2. Влияние поправки Ф. Брикса на расположение цилиндров

Результаты исследования. В программе Excel был проведен автоматический расчёт величины изменения объема картера двигателя V по углу поворота φ коленчатого вала. Составлен он для основных наиболее популярных конструкций по количеству и расположению цилиндров.

Для сравнения величин пульсаций разных конструкций конструктивные параметры ЦПГ и КШМ были привязаны к одному двигателю (ЗМЗ-406). При этом: диаметр цилиндра D =92 мм, радиус кривошипа R =43 мм, длина шатуна L =134 мм [8].

Результаты представлены на рисунке 3.

Установлено, что у двигателя ЗМЗ-406 происходит периодическое изменение объёма за один оборот 2 раза по 0,2 литра.

Также было получено, что рядные 3-, 5- и 6-цилиндровые а также V-образные 6-, 8- и 12-цилиндровые двигатели на графике изменения имеют прямую. То есть изменения объема их картера при работе двигателя не происходит.

Теоретические данные были экспериментально подтверждены при измерении характера расхода картерных газов. Характер изменения этой величины подобен первой производной от изменения объема.

Рис. 3. Изменение объема картера по углу поворота коленчатого вала у разных конструкций двигателей

Испытания проводились на рядном четырёхцилиндровом двигателе ЗМЗ-406 и на V-образном восьмицилиндровом двигателе

ЗМЗ-53, установленными в лабораториях инже нерного института НГАУ.

Для исключения утечек воздуха через ЦПГ при прокрутке коленчатого вала стартером свечи зажигания у двигателей были демонтированы.

Результаты показаны на рисунке 4.

Верхние графики характеризуют положение коленчатого вала. Сигнал снимался с датчика распредвала (у ЗМЗ-406) и с первичной цепи зажигания (у ЗМЗ-53). Нижние графики показывают величину расхода картерных газов на вы- ходе из маслоналивной горловины (система вентиляции картера отключена).

Анализ полученных данных выявил, что периодичное изменение объема картера двигателя ЗМЗ-406 на 0,2 л приводит к синусоидальному изменению расхода картерных газов, достигающего величины 200л/мин. У двигателя ЗМЗ-53 периодическое изменение объема картера отсутствует, что не вызывает пульсации картерного газа.

б

Рис. 4. Сигнал с датчика расхода картерных газов в режиме прокрутки двигателя без свечей зажигания: а – для двигателя ЗМЗ-406; б – для двигателя ЗМЗ-53

Выводы

• 1.    В результате исследований выявили, что отличие величины пульсаций картерных газов у разных двигателей зависит от таких конструктивных параметров двигателя, как число и расположение цилиндров, угол заклинки коленчатого вала.

• 2.    Были определены наиболее подходящие конструкции двигателей для определения состояния ЦПГ по расходу картерных газов. С наименьшей погрешностью можно диагностировать рядные 3-, 5- и 6-цилиндровые а также V-образные 6-, 8- и 12-цилиндровые двигатели. Также возможно применение этого метода, но уже с большей погрешностью (примерно на

3–10% в зависимости от чувствительности расходомера), для рядных 4-цилиндровых, 2-цилиндровых с углом заклинки 180˚ и V-образного 4-цилиндрового двигателей.