Содержание к диссертации
& 1. Концепция проблемы и задачи исследования с. 18
-
Анализ основных направлений улучшения эксплуатационных показателей автотракторных двигателей с. 18
-
Анализ условий работы моторных масел и путей их рационального использования в ДВС с.34
-
-
Теоретические положения и математическая модель расчета параметров и подбора элементов смазочных систем
автотракторных ДВС с.47
-
-
-
Разработка вероятностно-статистического метода расчета
основных показателей автотракторных ДВС с.47
-
-
-
Разработка вероятностно-статистического метода
расчета смазочных систем автотракторных ДВС с.57
Теоретические положения и математическая модель подбора к ДВС
моторных масел и расчет их физико-химических показателей с.73
-
-
-
Разработка критерия работоспособности моторных масел и методики
их подбора к автотракторным ДВС с.73
-
-
-
Разработка теоретических положений и математической модели расчета физико-химических показателей моторных масел с.81
-
-
Теоретические положения и математическая модель оценки
комплексного влияния моторных масел и параметров системы
смазки на показатели ДВС с.97
-
-
-
Теоретическое обоснование и разработка интегрального критерия для оценки и прогнозирования эксплуатационных свойств
моторных масел с.97
-
-
-
Разработка теоретических положений и математической модели оценки влияния моторных масел и параметров смазочных
систем на механические потери и эффективный к.п.д. ДВС ..с. 102
-
-
-
Разработка теоретических положений и математической модели расчета и прогнозирования влияния моторных масел на
топливную экономичность ДВС с. 123
-
-
-
Разработка теоретических положений и математической модели расчета и прогнозирования влияния моторных масел на экологические показатели ДВС с. 137
-
Разработка теоретических положений и математической модели расчета и прогнозирования влияния моторных масел на износостойкость ДВС с. 148
-
Разработка энтропийной теории старения моторных масел и математической модели расчета и прогнозирования их
срока службы с. 157
4.7. Выводы с.169
5. Обоснование и разработка технологических решений с.172
-
-
-
-
Общие положения методики экспериментальных исследований.... с. 172
-
Разработка оригинальных методик лабораторных
испытаний моторных масел с. 175
-
-
-
-
Разработка методики и технологии стендовых испытаний
моторных масел с. 180
-
-
-
-
Разработка методики и технологии эксплуатационных
испытаний моторных масел с.222
-
Результаты лабораторных исследований физико-химических
-
-
-
-
-
-
Результаты исследований влияния трибохимических
материалов на эксплуатационные показатели ДВС с.244
-
-
-
-
-
-
Результаты исследований влияния гидро- и термодинамических параметров систем смазки и охлаждения на эксплуатационные
показатели ДВС с.286
-
Оборудование и измерительно-регистрирующий комплекс
для испытаний моторных масел с.310
-
-
-
-
-
-
Устройства для поддержания в смазочной системе рациональных
гидро- и термодинамических параметров с.326
-
-
-
-
-
-
Результаты эксплуатационных исследования влияния различных композиций моторных масел и рациональных гидро-
и термодинамических параметров смазочных систем на эксплуатационные показатели ДВС с.348
-
-
-
-
-
-
Внедрение результатов научных разработок с. 358
-
Технико-экономическое обоснование эффективности разработок....с.361
Список использованной литературы с.390
Приложения с.420
Принятые условные обозначения и сокращения:
АС - антифрикционные свойства;
АП - антифрикционные присадки;
ММ - моторное масло;
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
Ц1и — цилиндро-поршневая группа;
КШМ - кривошипно-шатунный механизм;
ГРМ - газораспределительный механизм;
МП - механические потери;
СО - система охлаждения;
СС - система смазки;
ЭСМ - энергосберегающие свойства масел; ТСМ — топливо-смазочные материалы; ТСП - твердосмазочные покрытия; ТХС - трибохимические средства;
ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина;
ЭС - эксплуатационные свойства;
ЭП - эксплуатационные показатели;
ЭБ - экологическая безопасность;
Ф-Х - физико-химический;
ТФС - теплофизические свойства;
ГММ - главная масляная магистраль;
МФ - масляный фильтр;
МР - масляный радиатор;
МН - масляный насос;
к.п.д. - коэффициент полезного действия;
ТР - тепловой режим;
ТЭ - топливная экономичность;
АТТ - автотракторная техника;
АТС - автотранспортное средство; АТД — автотракторные двигатели; ПАВ — поверхностно-активные вещества; ОГ - отработавшие газы.
Введение к работе
Окружающая среда (биосфера) - саморегулирующая равновесная система, в которой непрерывно протекают процессы, связанные с поглощением и выделением различных энергий и веществ. Однако в последнее время в связи с активной деятельностью человеческого общества наблюдается нарушение этой уникальной системы из-за варварского использования полезных ископаемых и загрязнения окружающей среды.
История человеческого общества неразрывно связана с использованием энергетических ресурсов Земли. Источники энергии, которые человек использует в своих целях, постепенно становятся все более мощными и требуют значительных затрат природных ресурсов не только на их изготовление, но и на получение энергии, а кроме того они являются основными источниками загрязнения окружающей среды.
Известно [29], что энергия для удовлетворения нужд производства и социальных потребностей общества распределяется следующим образом: нефть - 38%; газ - 35%; уголь - 20%; гидроэлектростанции - 4%; атомные электростанции - 2% и возобновляемые источники энергии - 1%. Как видно из приведенных данных, основным источником получения энергии является нефть.
По оценкам ученых [29, 96, 129], нефти в недрах планеты имеется порядка 200 млрд. т, из них уже разведано 110 млрд. т. Анализ статистических данных о добыче нефти показывает (рис. 1.1), что за прошедшее столетие уровень добычи нефти как в нашей стране, так и за рубежом неуклонно рос (ежегодное мировое потребление приближается к 5 млрд.т).
Однако ограниченность запасов нефти на планете и целесообразность их использования в качестве сырья для химической промышленности, а также низкий к.п.д. использования энергоресурсов (рис. 1.2), который составляет для современных тепловых машин не более 40%, привели человечество к необходимости ограничения расходования нефти, освоения альтернативных источников энергии и скорейшего решения проблемы энергосбережения.
Рис. 1.1. Уровень ежегодной добычи нефти: а) во всем мире; б) в России У, кг/(кВт-ч) У, кг/(кВт'ч) Y=4! .050785-1.09701 ВТ+0.0070426ТА2
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 а) б)
Рис.1.2. Уровень использования нефти в качестве источника энергии за последние 100 лет: а) во всем мире; б) в России Увеличение мирового парка машин и механизмов, а также их активное использование в различной народнохозяйственной деятельности кроме проблемы энергосбережения породили проблему ресурсосбережения. Y=exp(3,717652-0.0539 MIT)
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Анализ статистических данных [28, 40, 150] о производстве черных металлов и потерях металлов от коррозии, износа и трения различных машин, механизмов и инструментов в прошлом столетии (рис. 1.3 и 1.4) показал, что, несмотря на рост производства чугуна и стали, ущерб, наносимый всем странам мира от трения, износа и коррозии, составляет ежегодно до 10% сово- куп но го национального продукта. Все это ведет к росту затрат топливно- энергетических ресурсов на решение проблемы ресурсосбережения.
М, мин т
Рис. 1.3. Уровень производства черных металлов: а) во всем мире; б) в Рос-
Пм. МГфД долл 330
М, млн т 280
Пм, млрд долл
Рис.1.4. Ущерб от трения, износа и коррозии: а) во всем мире; б) в России В сложном комплексе проблем энерго- и ресурсосбережения все возрастающее значение приобретает проблема экологической безопасности. Анализ данных [63, 85, 101, 206] показывает (рис. 1.5), что для решения проблемы ресурсосбережения человечество затрачивает огромное количество топливно-энергетических ресурсов, загрязняя при этом окружающую среду. Причем основным загрязнителем окружающей является транспорт. Особенно это ощутимо в странах (в т.ч. и в России), где недостаточно четко регла ментированы нормативы по защите окружающей среды (доля загрязнения от транспорта составляет более 50%). Поэтому решение этих проблем является комплексным и во многом связано с проблемой эксплуатации АТТ.
Активная эксплуатация человечеством автотракторной техники, расширение климатических зон ее использования, а также применение ее в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства приводят к необходимости улучшения эксплуатационных показателей энергетических установок, а именно - двигателей внутреннего сгорания.
17% а) б)
Рис. 1.5. Количество выбросов вредных веществ в атмосферу: а) во всем мире; б) в России: 1-транспорт; 2 - промышленность; 3 - теплоэнергетика; 4 - прочие Причем улучшение эксплуатационных показателей двигателей неразрывно связано с эффективными показателями ДВС. В результате этого к ДВС с каждым годом предъявляются все более жесткие требования по обеспечению их надежной и долговечной работы, экологической безопасности и энергоресурсосбережения, что в свою очередь приводит к противоречию между потребностями общества, эксплуатирующего двигатели, и несовершенством их конструкции. В результате имеет место проблемная ситуация, правильное и быстрое решение которой во многом зависит от выбора пути, средств, метода и способа ее овладения.
Л,% Д,%
В аспекте этих требований существенная роль в решении этой важной народнохозяйственной проблемы отводится смазочной системе ДВС и ее рабочему телу - моторному маслу, совместная работа которых оказывает значительную влияние на механические потери двигателей, а следовательно, и на их ЭП (износостойкость, экономичность, токсичность и т.д.).
Анализ научно-технических работ, связанных с решением проблемы улучшения эффективных показателей ДВС, показал, что за последние десятилетие их значения практически не изменялись. Так, удельный эффективный расход топлива современных автотракторных ДВС сохранился в пределах 200-310 г/(кВт-ч) для бензиновые ДВС и 200-260 г/(кВт-ч) для дизелей, а эффективный к.п.д. 0,25-0,40 (бензиновые ДВС) и 0,23-0,42 (дизели). В то же время по данным ведущих НИИ и фирм производителей современные автотракторные ДВС могли бы иметь удельный расход топлива в пределах 170-180 г/(кВт-ч). а эффективный к.п.д. 0,45-0,5. Такое несоответствие реальных эффективных показателей ДВС их возможным значениям объясняется тем, что в последнее десятилетие большое количество научно- технических разработок было направлено на решение проблемы экологии, а так как эти проблемы антагонистичны, то решение этих противоречивых проблем привело к улучшению экологических показателей ДВС и сохранению эффективных показателей двигателей на уровне начала 90-х годов прошлого столетия. Однако проблема энергоресурсосбережения была и остается актуальной и в настоящее время, что требует от ученых поиска ее альтернативных решений.
Поэтому научной проблемой настоящих исследований является разработка и обоснование обобщенных принципов, методов, способов и средств подбора и обеспечения совместной работы ММ и СС с целью улучшения эксплуатационных показателей ДВС.
В разработке данной проблемы совместно с автором на различный этапах работы участвовали профессора В.Ф. Китанин, А.П. Уханов, B.C. Шкра- бак. Под руководством автора выполняли диссертации кандидаты наук А.О Шуваев и A.B. Китанин, а также продолжают работать аспиранты A.A. Бур- кин, И.В. Щукарев, A.A. Галахов и Р.Х. Халитов, за что автор диссертации выражает им глубокую признательность и благодарность.
Многолетние исследования автора позволили создать научную школу и сформулировать, а также реализовать концепцию работы, сущность которой заключается в разработке теоретических, технических и технологических решений, направленных на улучшение эксплуатационных показателей ДВС путем совершенствования конструкции СС и процессов, протекающих в них. При этом были созданы методы подбора и оценки эксплуатационных свойств ММ, а также на основе математического моделирования и натурного эксперимента определены рациональные физико-химические показатели ММ и технические параметры работы СС, комплексная реализация которых позволила обеспечить улучшение износостойкости, топливной экономичности и экологической безопасности ДВС без существенных конструктивных изменений.
В связи с вышеизложенным в работе были поставлены и решены следующие положения.
Цель исследования. Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных двигателей совершенствованием трибохимических и гидро- и термодинамических процессов в смазочных системах.
Задачи исследования:
Провести анализ состояния проблемы и определить пути ее реализации на современном уровне развития науки и техники.
Разработать теоретические положения и математические модели расчета и подбора элементов смазочных систем и физико-химических показателей ММ для автотракторных ДВС.
Выполнить теоретический анализ и оценить влияния физико- химических показателей ММ, а также гидро- и термодинамических параметров СС на эксплуатационные показатели двигателей.
Разработать методы и технологии оценки эксплуатационных свойств моторных масел.
Выполнить комплекс экспериментальных исследований по изучению влияния параметров СС и трибохимических материалов на показатели ДВС.
Разработать технические решения по совершенствованию конструкции смазочных систем.
Выполнить внедрение теоретических, технических и технологических разработок и оценить их экономическую эффективность.
Объекты исследования. Двигатели: УМЗ-414.10, ВАЗ-2101, ЯМЗ- 238НБ и их смазочные системы, а также ММ различных классов вязкости и эксплуатационных групп.
Научную новизну работы представляют:
Концепция улучшения эксплуатационных показателей автотракторных ДВС за счет совершенствования трибохимических и гидротермодинамических процессов в смазочных системах;
Аналитический метод и критерии для подбора моторных масел к автотракторным двигателям;
Совокупность теоретических положений и разработанные на их основе математические модели, позволяющие производить расчет элементов смазочных систем, а также обосновать совместное влияние гидро- и термодинамических параметров смазочных систем и физико-химических свойств моторных масел на эксплуатационные показатели ДВС;
Энтропийная теория старения моторных масел;
Технические решения, подтвержденные 8-ю патентами РФ, реализация которых обеспечивает улучшение эксплуатационных показателей ДВС;
Технологии оценки эксплуатационных свойств моторных масел.
Практическая значимость работы. Предложен и внедрен в производство комплекс теоретических, технических и технологических решений, позволяющих:
Обеспечить оптимальный выбор элементов смазочных систем, за счет чего уменьшить в 3-4 раза затраты заводов на доводку двигателей;
Ускорить в 5-7 раз процесс подбора моторных масел к ДВС, за счет чего сократить в 12-16 раз затраты материальных и денежных средств на проведение отборочных и квалификационных испытаний;
Реализовать в ДВС рациональные гидро- и термодинамические параметры смазочных систем и обеспечить эффективное применение трибохи- мических материалов, за счет чего снизить мощность механических потерь на 8-14%, улучшить топливную экономичность на 4-8%, увеличить эффективный к.п.д. на 3-5%, срок службы масла и ресурс работы ДВС соответственно на 8-13% и на 9-11%; уменьшить износ деталей ЦПГ на 20-40%, а также добиться относительного улучшения экологических показателей (по СО) на 3-4%.
Реализация результатов работы. Разработаны и внедрены: 1. Рекомендации по улучшению топливной экономичности автомобилей путем применения ММ улучшенного состава. Рекомендации по улучшению ТЭ карбюраторных ДВС внедрены в Пензенском областном управлении сельского хозяйства, а также в учебный процесс Пензенской ГСХА; 2. Рекомендации по подбору ММ к автотракторным ДВС и расчету СС внедрены на ОАО "АВТОВАЗ", ОАО "Челябинский тракторный завод" и ЗАО "НАМИ- ХИМ"; 3. Конструкция терморегулируемой СС (патент РФ №2125166) и устройства для поддержания в ДВС рациональных тепловых режимов (ТР) (патент РФ № 2149268) внедрены в ЗАО "НАМИ-ХИМ", ОАО "Челябинский тракторный завод" и ОАО "АВТОВАЗ"; 4. Технические условия (ТУ 38.401814-90) "Масла моторные. Метод оценки влияния ММ на ТЭ карбюраторных ДВС", разработанные совместно с ВНИИ НП, НАМИ и Пензенским
СХИ, внедрены в НИИ сельского хозяйства Пензенской области; 5. Технологии оценки эксплуатационных свойств ММ внедрены в ЗАО "НАМИ-ХИМ", ОАО "Челябинский тракторный завод" и ОАО "АВТОВАЗ"; 6. Измерительно-регистрирующий комплекс для дорожных испытаний автомобилей используется в учебном процессе и научно-исследовательской работе Пензенской ГСХА, Пензенского ГУАС и СПбГАУ, что нашло отражение в изданном учебном пособии "Лабораторный практикум по тракторам и автомобилям"; 7. Результаты экспериментальных исследований, рекомендации, технические и технологические разработки, направленные на улучшение эксплуатационных показателей ДВС, внедрены в филиале ОАО "Пензаэнерго", в СПК "Искра" Белинского района Пензенской области, на ремзаводе АО "Камагросервис" Каменского района Пензенской области, в совхозе "Верту- новский" Бековского р-на Пензенской области, в КХ "Заря" Тамалинского р- на Пензенской области, ЗАО ГАТП №3 г. Пенза, в Пензенском АТП "Тер- новкаагропромавтотранс".
На защиту выносится совокупность научных, технических и технологических решений, а именно:
Научная концепция улучшения эксплуатационных показателей ДВС за счет совершенствования трибохимических и гидротермодинамических процессов в смазочных системах;
Теоретические положения и разработанные на их основе математические модели, обосновывающие выбор рабочего тела и элементов смазочных систем, а также совместное влияние гидротермодинамических параметров смазочных систем и физико-химических свойств моторных масел на эксплуатационные показатели ДВС;
Комплекс технологий по оценке энергосберегающих и эксплуатационных свойств моторных масел, обеспечивающих оценку качества моторных масел, применяемых в автотракторных двигателях;
Новые технические решения по совершенствованию конструкции смазочных систем, на которые получены патенты и положительные решение Роспатента, позволяющие повысить эффективность работы автотракторных ДВС;
Количественные оценки и выявленные закономерности, полученные в результате экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на: НПК Пензенской ГСХА, Пенза, 19901999 гг.; НТК молодых ученых Пензенской ГСХА, Пенза, 1992, 1998 гг.; всесоюзных семинарах "Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС в АПК СНГ" СИМСХ, Саратов, 1991 г., 1992 г.; научно-технической юбилейной конференции Казанского СХИ, Казань, 1992 г.; ВДНХ СССР, выставка "От фундаментальных исследований до практического внедрения", г. Москва, 1991 г.; всесоюзных научно-технических семинарах "Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей" СПбГАУ, Санкт-Петербург-Пушкин, 1991-1994 гг.; постоянно действующих НТС стран СНГ "Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей" СПбГАУ, Санкт-Петербург-Пушкин, 1995-2003 гг.; всероссийской НТК "Актуальные проблемы современного строительства" Пензенская ГАС А, Пенза, 1999, 2001, 2003 гг.; на 2-й международной (стран СНГ) НТК «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» Пензенская ГАСА, Пенза, 2002 г. Технические и технологические решения выставлялись в экспозициях выставок «Ресурсосбережение-2001, 2002» г. Пенза и «Энергосбережение-2001» г. Москва; на всероссийской НТК «Лука- нинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса», Москва, МАДИ, 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 96 работ, в том числе: монографий — 7; патентов и положительных решений РФ — 8; статей в центральных журналах — 8; статей в сборниках научных трудов ведущих вузов — 7; статей в сборниках международных НТК (стран СНГ) -13; статей в ЦНТИ — 13; тезисов научных докладов на семинарах и конференциях - 38; рекомендаций - 1; учебных пособий — Ь Общий объем опубликованных работ составляет 65,4 п.л., в том числе 49,8 п. л. без соавторов.
Связь с планами научных исследований. Работа выполнялась на кафедре «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика» Пензенской ГСХА в рамках договоров на проведение НИР с ВНИИ НП г. Москва (1988... 1994 гг.); на кафедре «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика» Санкт- Петербургского ГАУ в соответствии с планами НИР и государственной научно-технической программой 0.51.13 — «Экономия топливно- энергетических ресурсов» (1995...2000 гг.); в соответствии с госбюджетной НИР кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Пензенского ГУ АС (2000...2003 гг.).
Исследования проводились в соответствии с требованиями действующих нормативно-технических документов и стандартов (ГОСТ 14846-81, ГОСТ 18509-88, ГОСТ 20306-90 и др.).
Методы исследований и достоверность результатов. Методологической основой исследований являются теоретические положения гидро- и термодинамики, теории ДВС, триботехники, химмотологии, и теории вероятности.
Методической основой исследований являются: корреляционный анализ и математическая статистика; методы активных и пассивных экспериментов; обработка полученных данных на ПЭВМ.
Достоверность и обоснованность результатов исследования, выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью теоретических положений, применением современных приборов, результатами экспериментальных исследований и актами внедрения.
1. Концепция проблемы и задачи исследования
Похожие диссертации на Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных двигателей совершенствованием трибохимических и гидро- термодинамических процессов в смазочных системах
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
