Влияние жёсткости работы двигателя на его прогрев после пуска

Качественные показатели функционирования поршневых двигателей внутреннего сгорания как одного из наиболее распространенных источников энергии оказывают существенное влияние на эффективность всего агропромышленного комплекса. Совершенствованию систем данных силовых установок и факторов, влияющих на их работу, уделяется большое внимание со стороны исследователей [1-4, 6-10].

Особое влияние на продолжительную и бесперебойную работу силового агрегата оказывают режимы и условия его функционирования в период его прогрева после пуска.

Цель исследования

Изучение влияние жесткости работы двигателя на его прогрев после пуска.

Материалы и методы исследования

При проведении исследований использован информативный материал по рассматриваемой теме. Выполнены теоретические исследования и проведены. Сформированы выводы, позволяющие установить некоторые принципы прогрева дизельного двигателя.

Результаты и обсуждение

Одной из особенностей рабочего процесса дизельного двигателя в первые минуты прогрева является высокая жесткость его работы, что может привести к выдавливанию масла из зазоров трущихся сопряжений до критической толщины масляного слоя и нарушению жидкостного трения. В целях сопоставления времени, необходимого для вытеснения масла из зазоров подшипников под действием нарастающего давления в цилиндре при сгорании топлива с продолжительностью нарастания этого давления, воспользуемся уравнением П.И. Орлова [5] для определения ударной нагрузки, которую может выдержать подшипник. По П.И. Орлову ударная нагрузка, которую может выдержать подшипник, выражается формулой, учитывающей силу, необходимую, чтобы вытеснить масло из зазора:

и - v -1 f       6,5 • г2-ф2\

Р.          ■)'                                  (1)

где v - скорость передвижения цапфы в передвижения зазоре подшипника, м/сек; ^ = - - относительный зазор в подшипнике; h - толщина масляного слоя в самом узком сечении подшипника, мм; l - длина подшипника, м; r - радиус вала, м.

Обозначим скорость движения цапфы в зазоре подшипника через:

d h v = dt

и, подставив это выражение в формулу Орлова, получим

и -1  (       6,5 • r2 • гЬ2\

dt = -     12 +----—— dh.

P-^2          h2

Проинтегрировав данное уравнение, будем иметь:

t =      [12(hmini - hmin2) + 6,5 • r2 - ^2 (-1---^)|        (2)

P'^ ^{2                                 h} min2   ^h mini

Выражение (2) позволяет определить время, необходимое для вытеснения масла вязкостью μ из зазора подшипника при изменении толщины его слоя от h min до h крит под воздействием нагрузки F , в качестве которой нами принята максимальная сила из полярной диаграммы сил, действующих на шейку вала. Проинтегрировав данное уравнение, будем иметь:

Расчеты по определению времени вытеснения масла из зазоров подшипников произведены для наиболее тяжелого режима работы двигателя - прогрева под нагрузкой, когда наблюдается наибольшая жесткость работы двигателя.

Как показали расчеты, максимальная сила, действующая на шатунную шейку, составляет 53563 Н и на коренную шейку - 25163 Н.

Результаты расчетов сведены в таблицу 1, а на рисунке представлен график, показывающий продолжительность вытеснения масляного слоя до критической толщины в зависимости от температуры масла.

Таблица 1 – Результаты расчетов

Температура масла, ° С		0	20	40	60	80	100
Продолжительность вытеснения масла из зазора, сек.	Шатунный подшипник	0,0900	0,0200	0,0060	0,0020	0,0016	0,0010
	Коренной подшипник	0,2000	0,0405	0,0109	0,0041	0,0029	0,0013

Из графика видно, что время, необходимое для вытеснения масла до образования критической толщины слоя резко возрастает с понижением его температуры. Это время превышает длительность протекания фазы резкого нарастания давления, что и обеспечивает жидкостное трение в подшипнике. При обработке индикаторных диаграмм было установлено, что в первые минуты прогрева двигателя с номинальной нагрузкой, продолжительность резкого нарастания давления является наименьшей в течение прогрева и равняется, в среднем, 0,00085 сек. Однако, при температуре масла близкой к 100°, то есть при прогретом двигателе, продолжительность резкого нарастания давления близка к продолжительности вытеснения масла из зазоров подшипников (0,0010 сек. для шатунного и 0,0013 сек. для коренного) до критической толщины и не исключена возможность разрыва масляного слоя.

Рисунок 1 - Продолжительность вытеснения масла из зазоров подшипников до критической толщины масляного слоя в зависимости от температуры масла при прогреве двигателя работой с номинальной нагрузкой

Таким образом, проведенные теоретические исследования и расчеты позволяют сделать следующие выводы:

• 1.    Прогрев двигателя с номинальной нагрузкой происходит при незначительно меньшей (1,6 мкм) в шатунном и незначительно большей (на 1,0 мкм) в коренном подшипниках минимальной толщине масляного слоя по сравнению с прогревом на оборотах холостого хода. Это позволяет сделать заключение о допустимости прогрева дизельного двигателя его работой с номинальной нагрузкой.

• 2.    При прогреве двигателя с номинальной нагрузкой продолжительность вытеснения масла из зазоров подшипников до критической толщины масляного слоя превышает длительность протекания фазы резкого нарастания давления при сгорании топлива в цилиндрах двигателя, что сохраняет жидкостное трение между трущимися поверхностями подшипников.