ДОЛГОВЕЧНОСТЬ АГРЕГАТОВ В ПЕРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Эксплуатационный ресурс двигателя автомобиля определяется номинальным значением, реальными условиями работы и приспособленностью к этим условиям. Для долговечности двигателя при его правильной эксплуатации особенно значимы следующие внешние факторы: скоростной и нагрузочный режимы работы автомобиля, дорожные условия, природно-климатические условия.

Скоростной режим автомобиля характеризуется средним значением и дисперсией скорости, ускорениями (замедлениями), долями времени работы на различных передачах и др. Эти параметры о связаны практически со всеми показателями рабочих процессов двигателя.

Скорость движения автомобиля связана с кинематическими характеристиками работы двигателя (скоростью относительного скольжения сопряженных поверхностей, циркуляцией масла, частотой вращения коленчатого вала, подготовкой и сгоранием топливной смеси). Эти характеристики сами по себе существенно влияют на долговечность двигателя. Так, интенсивность изнашивания рабочей поверхности юбки поршня почти целиком зависит от скорости. Важным фактором изнашивания цилиндров, поршневых колец, стержней клапанов и направляющих втулок является частота вращения коленчатого вала.

Скорость движения связана с ускорением и замедлением циклически движущихся элементов двигателя, а поэтому и с нагрузками в сопряжениях. Так, при повышении частоты вращения коленчатого вала на 10 % нагрузки в подшипниках возрастают примерно на 20 %.

От частоты вращения коленчатого вала зависит протекание всех рабочих процессов и температурный режим двигателя. Поэтому скорость движения является существенным фактором интенсивности изнашивания двигателя. Однако гораздо важнее не сами по себе абсолютные значения скорости, а их изменение, использование тех или иных передач (число оборотов коленчатого вала на 1 км пробега). Ускорения вызывают значительное (и даже многократное) увеличение динамических нагрузок. Кроме того, при резком открытии дроссельной заслонки большая часть топлива из горючей смеси оседает в виде пленок и разжижает смазку на стенках цилиндров, что повышает изнашивание.

В режимах принудительного холостого хода и торможения двигателем также нарушаются процессы смесеобразования и горения, и смазка смывается топливом. В целом при работе на неустановившихся режимах износы двигателя могут возрастать вдвое по сравнению с износами на установившихся режимах.

Работа на пониженных передачах увеличивает число оборотов коленчатого вала на единицу пробега, и долговечность двигателя снижается. Так, при увеличении указанного числа с 2000 до 3000 на 1 км пути ресурс двигателя до капитального ремонта сокращается в 2,5.3 раза.

Повышение нагрузки на автомобиль увеличивает износы двигателя за счет:

повышения нагрузок в механических сопряжениях (увеличивается износ сопряженных поверхностей);

возрастания среднего эффективного давления (быстрее изнашиваются в первую очередь цилиндры и поршневые кольца);

длительного использования пониженных передач (растет число оборотов коленчатого вала на единицу пути).

Кроме того, может нарастать тепловая напряженность двигателя.

Для иллюстрации значимости нагрузочного фактора приведем следующий пример. Проводился сравнительный анализ ресурсов до капитального ремонта двигателей автомобилей ЗИЛ-130 и таких же двигателей, установленных на автомобилях ЗИЛ-ММЗ-555 при работе в черте крупных городов. В каждом городе автомобили обеих моделей эксплуатировались в примерно одинаковых условиях, за исключением нагрузочного фактора. Автомобили ЗИЛ-130 около половины пробега выполняли с прицепом, коэффициент использования пробега для них составлял 0,55.0,61, коэффициент использования грузоподъемности — от 1,3 до 1,5. Автомобили-самосвалы ЗИЛ-ММЗ-555 работали без прицепов, коэффициент использования пробега от 0,49 до 0,50, коэффициент использования грузоподъемности от 0,9 до 1,0. Кроме того, собственная масса самосвала на 700 кг меньше, чем бортового автомобиля. Из-за этого средние ресурсы двигателей автомобилей ЗИЛ-ММЗ-555 оказались выше, чем у ЗИЛ-130, на 35.50 %,

При сопоставлении значимости факторов скорости и нагрузки в работе подчеркивается: в целом скоростной режим работы двигателя на общий его износ оказывает большее влияние, чем режим повышенных нагрузок.

Характеристики дороги (вид покрытия, его состояние, план, рельеф) также могут существенно влиять на ресурс двигателей. В зависимости от этих характеристик меняются коэффициент сопротивления качению, скорость движения, доли работы на тех или иных передачах и др. Соответственно меняется износ. Так, только при изменении вида покрытия ресурс двигателя до капитального ремонта может измениться в 2 раза и более.

Вопросы отрицательного воздействия запыленности окружающего воздуха на долговечность автомобильных двигателей весьма актуальны. Этой проблематике посвящены регулярные всесоюзные научно-технические конференции (см. например, сборник ).

Пыль попадает в двигатель с воздухом, топливом и маслом, твердые частицы вызывают выраженный абразивный износ. Кроме того, массовые микроповреждения поверхностей деталей двигателя способствуют коррозии. С другой стороны, пыль, содержащая активные вещества, ухудшает химические свойства топлива и масла и усиливает коррозию. В свою очередь корродированные поверхности подвержены повышенному механическому износу. Вот некоторые количественные характеристики влияния пыли на долговечность автомобильных двигателей.

Улучшение фильтрации воздуха в реальной летней эксплуатации автомобилей ЗИЛ-ММЗ-555 на строительстве оросительных систем в Ташкентской области позволило снизить интенсивность изнашивания гильз цилиндров с 3,80 до 1,38 мкм на 1000 км, или более чем в 2,8 раза.

Совершенствование бортовых средств очистки топлива также дает значительный эффект, уменьшая износы двигателя в 1,5 раза и более. Так, при испытаниях карбюраторного двигателя рабочим объемом 6 л в районе Ташкента только за счет улучшения фильтрации топлива интенсивность изнашивания цилиндров была снижена с 3,8 до 2,3 мкм на 1000 км.

Для дизельных двигателей X. А. Расулов и К. В. Рыбаков в работе отмечают, что снижение загрязненности G топлива с 30 до 22 г/т увеличивает наработку на регулировку топливного насоса высокого давления со 140,2 тыс. до 166,8 тыс. км. В этой же работе приводится линейная модель адаптивности двигателя по указанному выходному параметру к запыленности топлива:

L~Z0—SO, где L — средний ресурс, тыс. км; L„ — средний оптимальный ресурс (при G = 0), определяемый графически; S — параметр чувствительности, т-тыс. км/г.

Там же рассмотрен соответствующий коэффициент адаптивности и указано, что повышение чистоты топлива увеличивает этот коэффициент на 20 %.

Большую роль играет очистка масла в двигателе. Между количеством пыли, содержащейся в масле, и износом двигателя установлена линейная зависимость (точнее такая зависимость найдена между содержанием в масле кремния и железа). Применение полнопоточной тонкой очистки масла вместо частично-поточной снижает износы основных деталей в 1,5.Зраза.

Необходимо также учитывать следующее специфическое обстоятельство: система смазки может аккумулировать продукты загрязнения двигателя особенно в полости крышки головки блока цилиндров и в отсеке между цилиндрами. При замене отработанного масла эти осадки быстро размываются свежим маслом и через 10. 15 мин работы двигателя оно успевает загрязниться настолько, что содержание кремния в нем достигает 0,002 %, а это совершенно недопустимо. Специальные методы промывки системы смазки позволяют уменьшить указанные явления и снизить износ двигателя на 15. 20 %.

Необходимо отметить, что для двигателя оценки количеств пыли, содержащихся в той или иной среде (воздух, топливо, масло), и влияние этих количеств на износы имеют несколько условный характер. Это связано с тем, что пыль переходит из одной среды в другую (например, из воздуха в масло, из топлива в масло). Поэтому для практики важны не только покомпонентные, но и комплексные оценки и интегральные.

Периодичность обслуживания фильтрующих систем должна оптимизироваться с учетом следующего важного обстоятельства. Каждая замена или очистка фильтрующих элементов не только увеличивает затраты на ТО, но и способствует внесению в двигатель загрязнений.

Исследования показывают, что для защиты двигателей от пыли одних бортовых средств недостаточно. Здесь необходим комплексный подход. Так, требует совершенствования противопылевая защита всей подсистемы приема, хранения, транспортировки и раздачи ГСМ.

В условиях Узбекистана, например, загрязненность дизельного топлива в процессе поступления от железнодорожных цистерн до баков автомобилей возрастает с 0,002 до 0,012 %, загрязненность в баках в 2,0.2,2 раза выше, чем при выдаче из топливораздаточных колонок, в 2.Зраза выше, чем в средней полосе СССР. Размер частиц может превышать 50 мкм, в них содержатся большие количества кремния, алюминия, магния, что особенно опасно для топливной аппаратуры . Предварительная очистка топлива позволяет увеличить моторесурс топливоподающей аппаратуры до 10 тыс. мото-ч, снизить износ деталей цилиндро-поршневой группы на 30 %. В целом значимость пыли как фактора, негативно влияющего на ресурс автомобильных двигателей, оценивается следующим образом: в республиках Средней Азии около 80 % износа двигателей составляет абразивный износ.

Другой важный фактор уменьшения ресурсов автомобильных двигателей — высокая температура окружающего воздуха, которая влечет за собой следующие явления:

изменение зазоров в сопряжениях;

ослабление смазочных свойств масла и снижение его вязкости, что ухудшает гидродинамические условия смазки;

снижение вязкости и повышение испаряемости топлива, уменьшение (по массе) количества воздуха, поступающего в карбюратор и, как следствие, переобогащение горючей смеси;

возрастание температуры и повышенное выкипание воды, что приводит к общему перегреву двигателя.

Рассмотрим влияние этих факторов на интенсивность изнашивания цилиндропоршневой группы.

Повышение температуры масла в картере (от 75 до 98 °С) вследствие ослабления смазочных свойств увеличивает интенсивность изнашивания верхней части зеркала гильз более чем на 50 %, а ухудшение состава горючей смеси — в 3.4 раза.

Следует заметить, что эти и другие факторы не просто суммируются, а взаимодействуют: избыток топлива, попадая на разжиженное перегретое масло, легко смывает его, и соединения серы, находящиеся в переобогащенной смеси в повышенной концентрации, получают непосредственный доступ к зеркалу, повышая коррозию, и это резко увеличивает износ. Кроме того, переобогащенная горючая смесь при повышенной температуре нередко детонирует, что разрушительно сказывается на двигателе.

На шейки коленчатого вала высокая температура окружающего воздуха оказывает отрицательное воздействие, разжижая масло — это основной фактор. Существенную роль в увеличении износа может сыграть и детонация.

Все перечисленные факторы проявляются даже при кратковременной (порядка нескольких десятков минут) работе двигателя в условиях повышенной температуры окружающего воздуха. При более длительной эксплуатации (несколько часов) к перечисленным воздействиям добавляются новые. Масло интенсивно угорает и стареет, содержание асфальтенов и карбоидов возрастает в 2,5. 5 раз, появляются повышенное нагарообразование и осмоление со всеми отрицательными последствиями. Перегретый двигатель иногда самопроизвольно переходит на работу в режиме «калильного зажигания», который ведет к еще более высоким температурам и износам.

При продолжительной эксплуатации двигателя в условиях повышенных температур окружающего воздуха в системе охлаждения по очевидным причинам усиливается отложение накипи, которая, обладая высокими теплоизоляционными свойствами, ухудшает теплообмен и ведет к еще большему перегреву. Происходит ускоренное старение и растрескивание резиновых и пластмассовых деталей.

При использовании метанолсодержащих бензинов в условиях высоких температур наблюдается значительное увеличение набухания и проницаемости деталей системы питания автомобиля из резины и кожи, ускорение коррозии деталей из свинецсодержащих сплавов.

В целом в условиях СССР только за счет повышенного температурного режима окружающего воздуха ресурс двигателей до капитального ремонта может снижаться на 10 % и более.

В эксплуатационной практике часто сочетаются повышенная температура и высокая запыленность окружающего воздуха. В этих условиях износы двигателей возрастают весьма существенно.

Так, ресурс коленчатых валов двигателей ЯМЗ-238 в условиях Чимкентской и Самаркандской областей составляет менее 80 % соответствующей величины в Саратовской области [251. Опыт эксплуатации и исследования дизельных двигателей при высокой температуре и запыленности воздуха показывает, что их моторесурс в 1,5.2 раза ниже, чем в средней полосе СССР.

Высокая температура и запыленность окружающего воздуха сопровождаются таким специфическим явлением, как микробиологическое поражение ГСМ. Как отмечает канд. техн. наук М. М. Таш-пулатов, при этом существенно меняются вязкость, кислотность, щелочность. Более того, биогенные физико-химические изменения ведут к оголению рабочих поверхностей деталей, вызывают разрушение оксидных защитных пленок, способствуют усиленному нагаро-образованию на клапанах, поршнях и др. Возможно закупоривание биомассой фильтров и коммуникаций малого сечения (масляные каналы коленчатого вала, отверстия распылителей форсунки и др.). Это приводит к преждевременным износам двигателей.

В районах с высокой температурой и запыленностью окружающего воздуха обычно вода имеет повышенную жесткость. Этот сопутствующий фактор резко отрицательно сказывается на эффективности и долговечности системы охлаждения, повышает теплонапря-женность двигателя и этим сокращает его ресурс.

Рассмотрим факторы увеличения износа двигателей при понижении температуры окружающего воздуха. К ним относятся повышенные пусковые износы, а в процессе непосредственной эксплуатации — низкая температура масла, поступление в карбюратор холодного воздуха и топлива, понижение общего теплового режима двигателя, увеличение сопротивления шин и трансмиссии, повышение аэродинамического сопротивления.

Пусковые износы рассматриваются в работах многих авторов.

В работах Г. С. Лосавио доказано, что основная доля пускового износа приходится не на период пуска, а на время послепускового прогрева. В момент пуска на сопрягаемых поверхностях деталей двигателя имеется холодная остаточная пленка смазки, которая очень прочна. Однако после нескольких секунд работы эта пленка разогревается и под одновременным воздействием высоких температур, механических нагрузок г химически агрессивной среды начинает разрушаться, а новые порции смазки (холодной и густой) еще не поступают.

В этот период темп износа относительно велик. Затем по мере прогрева двигателя в целом и смазки в частности интенсивность изнашивания снижается.

Пусковые износы увеличиваются из-за пусковых микрозадиров и неравномерности действия различных цилиндров в пусковой период (эта неравномерность является следствием ранее «накопленного» износа). Кроме того, очень большую роль играет режим прогрева.

Явления, возникающие при холодных пусках двигателя, могут иметь отдаленные отрицательные последствия. К числу наиболее важных таких последствий относится накопление конденсатов бензина и воды в моторном масле. Пары бензина, соприкасаясь с не-прогретыми элементами двигателя, конденсируются. Конденсат бензина, попавший в масло, в процессе прогрева быстро теряет легкие фракции, которые испаряются. Однако тяжелые фракции сохраняются в моторном масле значительно дольше. Они содержат соединения серы и поэтому усиливают коррозию.

Конденсат воды имеет два источника: окружающий воздух и продукты горения углеводородного топлива. Основное значение имеет второй источник. Поэтому количество конденсата воды определяется начальной температурой и режимом прогрева двигателя, а не влажностью окружающего воздуха. Этот конденсат испаряется из масла весьма медленно, особенно зимой, когда температурный

Необходимо отметить, что при неправильном режиме послепускового прогрева износы резко возрастают. Так, резкое и чрезмерно раннее форсирование числа оборотов может повысить износ в 10 раз, а слишком длительная работа на малых оборотах холостого хода дает 12-кратное увеличение износа.

Итак, различные исследователи едины во мнении, что даже при умеренных морозах холодные пуски существенно увеличивают износы и сокращают ресурс.

Рассмотрим теперь изнашивание двигателя при работе на линии в условиях низких температур окружающего воздуха.

При пониженном тепловом режиме двигателя его интенсивность изнашивания резко возрастает: при температуре охлаждающей жидкости 40 °С износы гильз возрастают вчетверо, а при температуре 50 °С это соотношение равно двум.

Нагрузка на двигатель при понижении температуры от 0 до —40 °С может возрастать на 25 % и более (см. разд. 3.2). Основная часть этого приращения приходится на шины (более половины).

Второй после шин фактор — сопротивление воздуха. Этот фактор особенно заметен при повышенных скоростях движения автомобиля. Теоретическая предпосылка такова: при понижении температуры окружающего воздуха увеличиваются его плотность и пропорционально — аэродинамическое сопротивление. Используя закон Гей-Люссака, нетрудно подсчитать, например, что при скорости 70 км/ч на дорогах с асфальтобетонным покрытием понижение температуры воздуха от +25 до —40 °С увеличивает общую тяговую нагрузку двигателя на 10 %. Эксперименты подтверждают такие расчеты.

Третий фактор — увеличение сопротивления холодной трансмиссии. Это сопротивление велико в момент трогания с места, затем скачкообразно падает. После пробега 5.7 км с момента начала движения этим фактором можно пренебречь.

Необходимо отметить, что способы влияния пониженной температуры окружающего воздуха на износ двигателя образуют не просто набор изолированных факторов. Эти способы представляют собой единый комплекс, они взаимодействуют, усиливая друг друга. Так, М. А. Григорьев показал, что за счет длительности воздействия на автомобиль весьма низких температур среднегодовая интенсивность изнашивания цилиндров в районах Крайнего Севера превышает среднелетнюю вдвое.

Таким образом установлен факт прогрессивного нарастания интенсивности изнашивания двигателей при понижении температуры окружающего воздуха. При рассмотрении влияния температурного режима окружающего воздуха на долговечность автомобильных двигателей применяются специально разработанные модели адаптивности (см. гл. 1.). Здесь используется величина и — средняя ин-

евые кольца, осмоляются фильтры, что приводит к повышенному зносу в течение некоторого времени после прекращения действия изких температур.

Значительно позже сказывается хранение автомобиля с водяным хлаждением на открытой площадке без подогрева: после каждой мены воду приходится сливать, что ведет к повышенному отложе-[ию накипи в системе охлаждения и последующим перегревам двигателя.

Такова в основных чертах качественная картина повышения износов автомобильных двигателей вследствие их недостаточной при-пособленности к прямому воздействию низкой температуры окру-кающего воздуха.

Кроме указанных прямых воздействий, низкие температуры ок-ужающего воздуха увеличивают износ двигателей за счет возрас-ания нагрузки. Возрастание нагрузки на двигатель обусловлено величением сопротивления движению автомобиля (см. гл. 3). Ос-ювной вклад здесь вносит возрастание сопротивления шин, выз-онное рядом сложных физических явлений, происходящих при юнижении температуры воздуха.

Растет и аэродинамическое сопротивление из-за увеличения плот-юсти воздуха. Этот фактор следует учитывать при движении с до-:таточно высокой скоростью. В начале движения некоторую роль ! увеличении нагрузки на двигатель может играть сопротивление голодной трансмиссии.

Таким образом, результаты многочисленных исследований, вы-юлненных различными авторами, убедительно свидетельствуют о -ом, что с понижением температуры окружающего воздуха интен-:ивность изнашивания двигателей возрастает.

Рассмотрим некоторые значения количественных характеристик влияния отрицательных температур на двигатель. В работах

С. Лосавио было показано, что износы за период пуска и после-пускового прогрева двигателя ЯАЗ-204 составляют около 7 % в )бщем износе двигателя. При температуре окружающего воздуха [5.30 °С холодный пуск и прогрев дают износ, эквивалентный 18. 26 км пробега. В других работах указываются значительно боль-пие величины износов при холодных пусках. Так, по некоторым тодсчетам свыше 90 % общего износа цилиндропоршневой группы приходится на послепусковые прогревы. Кроме того, как отмечаюсь выше, износ двигателя может возрастать за счет отдаленных последствий холодных пусков, в частности, из-за накопления в моторном масле конденсатов воды и бензина: даже 2.3 %-ное содержание воды в масле увеличивает износ цилиндров и поршневых конец в несколько раз, а в действительности при холодных пусках это содержание больше. Различие этих результатов объясняется тем, что эни получены на разных двигателях, неодинаково приспособленных к холодным пускам, и в разных условиях.

тенсивность расходования ресурса на пробеге до капитального ремонта.

По своему смыслу и является обобщенным показателем интенсивности изнашивания. Действительно, если, например, ресурс увеличивается в 2 раза, то обратная величина и уменьшается в 2 раза, и наоборот.

Зависимость средней интенсивности расходования ресурса до капитального ремонта двигателей от температурного режима окружающего воздуха описывается формулой, где t к at — соответственно среднее значение и среднее квадратичное отклонение температуры окружающего воздуха за год, ЭС.

Значения показателей адаптивности для автомобилей некоторых марок и моделей приведены в табл. 4.1 и на рис. 4.1, где х — (t — — г о)2 + of и в соответствии с физическим смыслом является отклонением температурного режима воздуха от оптимального. Коэффициент корреляции составляет 0,75.0,92, коэффициент вариации — от 7,7 до 11,4 %.

Разница в значениях показателей адаптивности для грузовых автомобилей объясняется большими различиями их нагрузочных режимов. Оптимальные значения температуры воздуха для автомобилей ЗИЛ несколько ниже, чем для автомобилей ГАЗ. Низкое значение параметра чувствительности для самосвалов обусловлено в первую очередь особенностями режима их эксплуатации.

Итак, приведенные значения показателей адаптивности подтверждают различный уровень приспособленности двигателей разных автомобилей.

Найденные значения показателей адаптивности позволяют рассчитывать и и обратную величину — среднее значение ресурса двигателей до капитального ремонта в зависимости от температур. Показатели адаптивности двигателей (III категория условий эксплуатации)

температуры небольшая. Необходимо отметить, что реализуемый показатель долговечности в одинаковых условиях оказывается разным для двигателей различных автомобилей.

Полученные результаты дают возможность определять для ресурса величину корректировочного коэффициента К, аналогичного Кз из Положения о ТО и ремонте. Значения Кз, а также максимальные /(max и минимальные Ктщ значения коэффициента К приведены на рис. 4.2. Их совместный анализ показывает, что величина К, найденная по экспериментальным данным, может существенно отличаться от Кз- Более того, между самими значениями К в одном и том же городе для двигателей автомобилей разных марок и моделей могут наблюдаться расхождения, которыми нельзя пренебречь (например, в Иркутске, Свердловске и др.). Последний факт подтверждает различную приспособленность двигателей автомобилей разных марок и моделей к температурному режиму окружающего воздуха по интенсивности изнашивания в реальных условиях эксплуатации и свидетельствует о том, что корректирование соответствующих нормативов целесообразно проводить дифференцированно по маркам и моделям.