Одним из наиболее неблагоприятных эксплуатационных режимов работы автомобильного дизеля является режим пуска при отрицательных температурах. 

В этих условиях имеет место значительная задержка поступления масла к подшипникам турбокомпрессора, обусловленная гидравлическим сопротивлением трубопроводов на линии всасывания масляного насоса и на линии нагнетания масла повышенной вязкости.

Рис. 3.12 Профилограммы деталей узла подшипников турбокомпрессора К 36 после работы на загрязненном масле

1 — опорная шейка вала ротора; 2 — внутренняя поверхность втулки подшипника 3 — наружная поверхность втулки подшипника; 4 — поверхность отверстия корпуса подшипников под втулку; 5 — рабочая поверхность упорного подшипника; 6 — рабочая поверхность упорной шайбы

Задержка поступления масла приводит к изменению гидродинамических условий работы подшипников ТКР, и при нарушении режима прогрева дизеля после пуска возможен отказ ТКР.

Рис. 3.13 Схема смазки дизеля ЯМЗ-238ПМ

1 — нагнетательная секция масляного насоса; 2 — предохранительный и перепускной клапаны; 3 — полнопоточный фильтр грубой очистки; 4 — центрифуга; 5 — к точкам смазки под давлением; 6 — главный масляный канал; 7 — трубка подвода масла к ТКР; 8 — ТКР; 9 — фильтр ТКР.

Схема системы смазки дизеля ЯМЗ-238ПМ приведена на рис. 3.13. Масло из поддона дизеля через сетчатый заборник засасывается шестеренчатым двухсекционным насосом 1 и через полнопоточный сетчатый фильтр грубой очистки масла 3 /ячейка 0,125 Х 0,125 мм/ поступает в главный масляный канал 6. В корпусе фильтра 3 установлен перепускной клапан. Когда разность давлений до и после фильтра достигает 1,8 — 2,3 кгс/см², клапан открывается, и часть неочищенного масла подается непосредственно в масляную магистраль. Такое повышение давления может произойти при засорении фильтра и при большой вязкости масла, например, при пуске дизеля в холодное время года. Из масляного канала по сверлениям в блоке масло подается к точкам смазки трущихся пар. Под давлением смазываются: коренные и шатунные подшипники коленчатого вала, подшипник в верхней головке шатуна, подшипники кулачкового вала механизма газораспределения, подшипник промежуточной шестерни привода масляного насоса, ось коромысла, топливный насос высокого давления и регулятор, поршневой компрессор. Из главного канала часть масла /~10%/ подается к центробежному фильтру очистки масла ЦФОМ 4. Из ЦФОМ масло сливается в поддон. В корпус подшипников турбокомпрессора 8 масло поступает из главного масляного канала через специальный фильтр 9 с бумажным фильтрующим элементом. Тонкость фильтрации масла ~ 30 мкм. Из турбокомпрессора масло сливается в поддон.

Радиаторная секция масляного насоса подает масло только в радиатор охлаждения. Из радиатора охлажденное масло сливается в поддон.

Таким образом, особенностью системы смазки дизеля ЯМЗ-238 ПМ является наличие фильтра перед турбокомпрессором.

Турбокомпрессор является наиболее удаленной от масляного насоса тоской смазки. Это обстоятельство требует соблюдения определенных условий запуска и прогрева дизеля особенно при отрицательных температурах окружающего воздуха. Для определения времени задержки поступления масла к подшипникам ТКР были проведены исследования в камере холода. Все пуски дизеля с различными фильтрующими элементами фильтра турбокомпрессора проводили в одинаковых условиях при температуре минус 20°С. Перед каждым пуском дизель выдерживался при этой температуре не менее 15 часов. Испытания проводили на масле М8Г.

Определение давлений в корпусе узла подшипников и различных точках системы смазки двигателей, производили тензометрическими датчиками давления. Во время испытаний показания тензодатчиков контролировали электрическими манометрами. Температуру масла измеряли хромель — капелевыми термопарами с открытым спаем. Кроме того, производилась непрерывная запись частоты вращения и траектории движения конца ротора ТКР со стороны компрессора.

Для оценки времени задержки поступления масла при различных фильтрующих элементах было принято необходимое для создания в корпусе подшипников давления масла 1,5 кгс/см² от начала пуска дизеля. Оценивалось также и время от начала пуска дизеля до слива из корпуса подшипников 150 мл масла.

Как показали опыты, при пуске дизеля масло к месту отбора из главного канала к фильтру ТКР поступает только через 16 секунд. Поэтому вне зависимости от сопротивления фильтра турбокомпрессора задержка поступления масла к подшипникам ТКР при температуре минус 20°С не может быть меньше 16 секунд.

Опытным путем установлено, что для обеспечения нормальной работы подшипников ТКР при пуске, необходимо обеспечить расход масла через них 150—200 мл/мин, в течение первой минуты, что соответствует давлению перед ТКР 0,5—1 кгс/см². Критерием нормальной работы ТКР для этого случая является достижение стабильной амплитуды перемещения конца ротора, которое измерялось в процессе пуска дизеля. В действительности в начальный момент пуска через подшипники ТКР проходит всего 50 мл/мин. масла и этот расход обеспечивают почти все испытанные фильтры различного сопротивления. По мере увеличения частоты вращения ротора резко возрастает пропускная способность подшипников и при частоте вращения 23—27 тыс. мин.^-1, что соответствует режиму максимальных холостых оборотов дизеля, расход масла составляет уже около 450 мл/мин. Этому условию могут удовлетворять чистый и частично загрязненный /продолжительность работы около 100 часов/бумажный элемент при перепадах давления до 1 кгс/см².

Из анализа результатов проведенных исследований следует, что оптимальной системой смазки, с точки зрения уменьшения задержки поступления масла к подшипникам ТКР при пуске дизеля, является система, в которой фильтр ТКР сделан из бумаги /фильтровальный картон/ с тонкостью очистки 30—40 мкм, а маслопроводящие трубопроводы имеют диаметр не менее 12 мм.

Задержка поступления масла к подшипникам ТКР при указанных выше условиях составляет:

при установке нового элемента — не более 1 мин.;

при установке частично загрязненного элемента, отработавшего на дизеле 100 часов, — не более 1 мин.;

при установке сильно загрязненного элемента, отработавшего на дизеле 200 часов при диаметре маслоподводящей трубки 8    мм, — около 9 мин.

В ходе проведения исследований были выявлены условия, позволяющие многократно запускать дизель при отрицательной температуре, не ухудшая работоспособности узла подшипников ТКР.

При остановке турбокомпрессора в полости корпуса подшипников остается небольшое количество масла. Этого количества масла достаточно для исключения задира втулок в течение времени прогрева дизеля, если окружная скорость вала ротора не будет превышать 13 м/с. При этих условиях в случае работы ТКР без подвода масла не было изменений в поверхностях трения узла подшипников.

Аналогичные опыты без подачи масла к узлу подшипников были повторены на дизеле. В результате этих опытов было подтверждено, что работа ТКР без подачи масла на режимах холостого хода дизеля до частоты вращения коленчатого вала 1500 мин.^-1 не приводит к износам деталей узла подшипников. Работоспособность узла подшипников не нарушается. При дальнейшей работе при частоте вращения коленчатого вала 1700 мин.^-1 произошел задир подшипников ТКР. Таким образом, до окружной скорости вала ротора равной 13 м/с еще создаются допустимые условия гидродинамической смазки подшипников, и ТКР может работать продолжительное время.

Недостаточная подача масла при высокой частоте вращения ротора приводит к потере устойчивости масляного слоя в узле подшипников. Это усугубляется почти полным отсутствием демпфирования в масляном слое, в результате чего отмечается мгновенное возрастание амплитуды прецессионного движения конца вала ротора. В этот момент на, подшипники ТКР передаются дополнительные нагрузки из-за большой амплитуды прецессирования ротора. Эти нагрузки приводят к контактированию поверхностей трения. При осмотре деталей узла подшипников было отмечено засветление участков контакта. При длительном контактировании поверхностей появляются натиры, а в случае наличия в масле абразивных частиц — риски. Последовательное накопление натиров и рисок приводит к качественным изменениям в работе сопряженных поверхностей узла подшипников и, в конечном счете, к возникновению задиров и отказу узла подшипников ТКР. Приведенная физическая модель отказа подтверждается и данными эксплуатации. При работе дизеля с таким дефектом наблюдается синий дым на выпуске, подтекание масла через соединения после турбины. При разборке турбокомпрессора характерным является наволакивание бронзы на вал ротора, потеря подвижности колец турбинного уплотнения и повышенное нагароотложение непосредственно за кольцами.

На дизелях ЯМЗ-238Б и 238Д система смазки модернизирована. Вместо фильтра грубой очистки масла 3 рис. 3.13 будет устанавливаться полнопоточный фильтр с бумажными фильтрующими элементами. При такой системе смазки отдельный фильтр перед турбокомпрессором на нужен. Исследования запуска дизеля при отрицательной температуре показали, что задержка поступления масла к подшипникам турбокомпрессора также не будет превышать 1 минуты.

Неблагоприятные моменты, сопутствующие пуску при отрицательных температурах, учтены в рекомендациях для эксплуатации дизелей зарубежных производителей: Каминс, Катерпиллер, Скания и др. Например, фирма Скания ограничивает верхний предел частоты вращения коленчатого вала дизелей с турбонаддувом после пуска 1000 мин^-1 /45 % от номинальной частоты/ в течение 30 секунд, а фирмы Каминс и Катерпиллер не допускают резкого повышения частоты вращения коленчатого вала во время прогрева после пуска и работы двигателя под нагрузкой в этот период.

В инструкции по эксплуатации дизелей ЯМЗ-238 ПМ, ФМ также оговорены условия пуска. Перед пуском дизеля после смены масла замены элемента масляного фильтра ТКР, после длительной /5 суток и более/ стоянки или замены турбокомпрессора, необходимо установить скобу регулятора в положение выключенной подачи топлива: В течение 10—15 секунд рекомендуется проворачивать стартером коленчатый вал и по показаниям манометра определить, есть ли давление масла в главном масляном канале и в системе смазки турбокомпрессора. При наличии давления можно пускать дизель. После пуска дизель должен работать на режиме холостого хода при частоте вращения не выше 1000 мин.^-1, до появления стабильного давления масла в турбокомпрессоре ~1 кгс/см².

Останов дизеля

Температурные условия работы узла подшипников определяются в основном частотой вращения ротора, расходом и температурой масла и зависят от температуры газов перед турбиной. Высокая температура газов, свойственная автомобильным ТКР, обуславливает наличие двух интенсивных потоков тепла в узле подшипников. Один из них распространяется по корпусным деталям, а другой — через колесо турбины по валу ротора. Таким образом, подача масла к подшипникам должна обеспечивать создание надежных масляных слоев в зазорах подшипников, а также и отвод тепла, поступающего с указанными тепловыми потоками.

Исследования, проведенные на безмоторном стенде, позволили оценить характер изменения температуры масла и отдельных точек корпуса подшипников в зависимости от частоты вращения ротора, температуры газов и расхода масла.

Из результатов исследований следует, что изменение частоты вращения ротора ТКР от 30 до 60 тыс. мин.^-1 при постоянной температуре газов на входе в турбину равной 700⁰С существенно сказывается на изменении температуры корпуса подшипников в области подшипников. Увеличение температуры в этих точках связано с увеличением трения при повышении частоты вращения ротора. Некоторое снижение температуры корпуса турбины на этих режимах объясняется уменьшением теплоотдачи от газов при уменьшении частоты вращения ротора из-за уменьшения плотности и скорости газов в газосборнике турбины.

Изменение температуры газов от 300 до 700°С при постоянной частоте вращения ротора равной 60 тыс. мин.^-1 в основном влияет на температуру деталей турбинной ступени и повышает температуру в области уплотнительных колец на 50⁰С. Это приводит к повышению температуры масла на сливе из узла подшипников на 20⁰С, причем наибольшее значение температуры сливаемого масла доходит до 120°С.

Существенное влияние на работоспособность узла подшипников могут также оказывать резкие остановы дизеля. Исследование влияния таких остановов на тепловое состояние деталей узла подшипников осуществляется путем записи температур характерных точек этих деталей после выключения подачи топлива.

Распределение температур при останове дизеля, работавшего под нагрузкой при полной подаче топлива, после работы на холостом ходу показано на рис. 3.14.

Через 3—4 минуты после останова дизеля с режима полной подачи топлива температура вала и корпуса подшипников со стороны турбины достигает 340—360°C /кривая 1/, а над уплотнительными кольцами — 400°C. У подшипников со стороны компрессора температура повышается в меньшей степени и к 10-й минуте достигает 200°С. Снижение температуры после достижения максимума происходит со скоростью примерно одинаковой для всех точек и равной 3—4°C в минуту. При таком температурном состоянии узла подшипников происходит закоксовка уплотнительных колец, потеря подвижности и, как следствие, течь масла через турбину. Наличие цветов побежалости на деталях ротора свидетельствует об их перегреве и уменьшении надежности работы.

При останове дизеля после пятиминутной работы его на холостых оборотах уровень температур деталей ТКР меньше почти в два раза, так как за это время температура корпуса и колеса турбины, от которых подводится тепло в корпус подшипников и вал ротора сильно уменьшаются /рис. 3.14, кривая 2/.

Рис. 3.14 Распределение температур в узле подшипников и над уплотнительными кольцами со стороны турбины

1 — после остановки дизеля с режима полной подачи топлива;

2 — после остановки дизеля с режима холостого хода.

Так, к пятой минуте работы дизеля на холостых оборотах /вне зависимости от исходного режима работы/ температура масла после подшипника со стороны турбины составляет 114—117°C, а температура корпуса над уплотнительными кольцами — 173—175°C. При останове с такого режима температура вала со стороны турбины повышается лишь до 190°C, а над уплотнительными кольцами — до 210°C, то есть достигают того же уровня, как и при установившейся работе дизеля на номинальном режиме.

На номинальном режиме работы дизеля температура резиновых уплотнительных колец со стороны компрессора /рис. 3.1, детали 20 и 21/ достигает 140°С. Для изготовления уплотнительных колец используется резина марки 7—9831 по ТУ 38.005.204—84 на основе нитрального каучука. Упругие свойства этой резины сохраняются в интервале температур от -30 до +130°С. При длительной работе при температуре 130°С кольца, изготовленные из такой резины, теряют упругость, грубеют, трескаются и деформируются. Такие кольца теряют свои уплотняющие свойства. В этих местах отмечается течь масла, особенно при работе дизеля на режимах холостого хода с загрязненным воздушным фильтром. Наиболее быстро потеря упругих свойств колец отмечается при работе дизеля на режимах с резко выраженной температурной цикличностью. Это имеет место при работе дизеля на карьерном самосвале. При работе дизеля на магистральном автопоезде температурная цикличность меньше, чем при работе карьерного самосвала. Однако при останове дизеля, работавшего под нагрузкой при полной подаче топлива, также происходит вначале понижение температуры резинового уплотнительного кольца, а затем вновь повышение его температуру. Характер изменения температуры кольца при различной продолжительности работы дизеля на холостых оборотах показан на рис. 3.15.

На номинальном режиме работы дизеля температура резинового уплотнительного кольца крышки компрессора достигла 143°С /кривая 1 /. После одной минуты работы на холостых оборотах дизель был остановлен. Температура кольца понизилась до 107°С. Через 8—10 минут после останова температура кольца вновь повысилась до 137°С. При работе на холостых оборотах в течение 3 минут перед остановом дизеля температура кольца через 8 минут после остановки повысилась лишь до 110°С /кривая 2/.

При работе на холостых оборотах перед остановом дизеля в течение 5 минут, стабилизировался температурный режим ТКР. После останова дизеля температура кольца не превышала 95° С.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что для надежной работы узла подшипников ТКР дизель с турбонаддувом необходимо останавливать лишь после 3—5 минут работы на холостых оборотах. Это условие неукоснительно должно выполняться водителями.

Для повышения надежности уплотнения со стороны компрессора целесообразно изготавливать уплотнительные кольца из резины марки ИРП-1401 на основе силиконового каучука. Упругие свойства этой резины сохраняются в интервале температур от -50 до +250°С.

Рис. 3.15 Влияние продолжительности работы дизеля на холостых оборотах перед остановкой на температуру резинового уплотнительного кольца крышки компрессора 1 — 1 мин; 2—3; 3—5; 4—10; 5—20.

Г. М. Савельев, Б. Ф. Лямцев, Е. П. Слабов
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ЯМЗ С НАДДУВОМ
1988