Стенд для испытаний моторных масел для двухтактных двигателей внутреннего сгорания Российский патент 2024 года по МПК G01N33/30 

Изобретение относится к испытательным стендам, предназначенным для испытаний моторных масел преимущественно для двухтактных бензиновых двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в научно-исследовательских организациях, лабораториях нефтеперерабатывающих заводов и в других организациях, осуществляющих контроль качества моторных масел для двухтактных двигателей внутреннего сгорания.

Конструктивной особенностью большинства двухтактных двигателей внутреннего сгорания является наличие совмещенной системы смазки - основные детали двигателя смазываются не моторным маслом в чистом виде, а топливно-масляной смесью. Для этого применяются специальные моторные масла для двухтактных двигателей. При этом масло, добавленное в топливо (как правило, автомобильный бензин с октановым числом по исследовательскому методу не менее 92,0 ед.), попадая в камеру сгорания, должно полностью сгорать, не образовывая большого количества нагара, т.е. масло должно обладать низкой склонностью к образованию высокотемпературных отложений. В противном случае в камере сгорания будет образовываться повышенное количество высокотемпературных отложений, что может способствовать росту температуры поршня, закоксовыванию поршневых колец, появлению калильного зажигания, интенсификации износа. Кроме этого, масло для двухтактных двигателей должно обладать высокой смазывающей способностью, так как при движении топливно-масляной смеси лишь незначительная часть масла успевает образовать на поверхности деталей тонкую пленку, которая должна снижать трение и износ рабочих поверхностей сопряженных деталей, а также препятствовать «схватыванию» контактируемых поверхностей деталей и появлению на их рабочих поверхностях задиров.

Поэтому моторные масла для двухтактных двигателей должны обладать достаточным уровнем эксплуатационных свойств, наиболее критичными из которых являются склонность к образованию высокотемпературных отложений и смазывающая способность.

Как правило, достоверная оценка эксплуатационных свойств любых нефтепродуктов, в том числе и моторных масел для двухтактных двигателей, возможна только на стендах, оснащенных двигателем внутреннего сгорания

Оценка эксплуатационных свойств моторных масел для двухтактных двигателей с высокой степенью достоверности возможна только на стендах, оснащенных полноразмерными двухтактными двигателями внутреннего сгорания, в которых во время испытаний протекает реальный рабочий процесс со сгоранием топливо-масляной смеси. Однако для того, что эксплуатационные свойства анализируемого моторного масла проявились в полном объеме необходимо проводить длительные испытания. Поэтому с целью сокращения продолжительности испытаний зачастую методики испытаний предполагают воспроизведение наиболее критичных условий эксплуатации техники. При этом в зависимости от оцениваемого эксплуатационного свойства одни методики испытаний могут предусматривать работу двигателя на режиме максимальной мощности с максимальной частотой вращения и повышенной температурой двигателя, а другие - варьирование температурой двигателя в широком диапазоне при неизменности нагрузочно-скоростного режима его работы. При реализации ускоренных методик испытаний использование двигателей со штатной воздушной системой охлаждения затруднено. Штатная система охлаждения не позволяет в полной мере одновременно обеспечить максимальную частоту вращения и повышенную температуру двигателя, так как воздушный вентилятор связан с коленчатым валом двигателя либо какой-то передачей (например, ременной), либо устанавливается на него. Это приводит к тому, что с увеличением частоты вращения двигателя повышается частота вращения воздушного вентилятора, следствием чего является более интенсивное охлаждение двигателя.

Кроме того, при работе двухтактного двигателя на режиме максимальной мощности с максимальной частотой вращения и повышенной температурой происходит увеличение температуры отработавших газов, которые при протекании через трубопровод их удаления нагревают его, что может спровоцировать возгорание в помещении моторного бокса. В результате чего повышается пожароопасность проведения испытаний.

В связи с вышеизложенным перед авторами стояла задача разработать стенд для испытаний моторных масел для двухтактных бензиновых двигателей, позволяющий проводить испытания моторных масел для двухтактных двигателей с возможностью варьирования температурой двигателя в широком диапазоне независимо от нагрузочно-скоростного режима его работы при низкой пожароопасности самих испытаний.

При просмотре источников патентной и научно-технической информации были выявлены технические решения, позволяющие оценить возможность использования их в разрабатываемом стенде.

Известен стенд для исследования теплового состояния поршней двухтактных двигателей внутреннего сгорания, содержащий корпус с установленной гильзой цилиндра, поршень, нагреватель, обтюратор в виде диска с равномерно расположенными по его окружности отверстиями, соединенный с электродвигателем, систему охлаждения, а также систему кривошипно-камерной продувки. Между корпусом и обтюратором установлено графитовое кольцо. Система охлаждения состоит из насоса, соединенного патрубками с рубашкой охлаждения корпуса. Система кривошипно-камерной продувки включает компрессор, соединенный патрубками с крышкой корпуса, и тепловизор, установленный напротив поршня со стороны внутренней поверхности днища поршня. Нагреватель представляет собой газовую горелку, подключенную к газовому баллону через расходомер и запорный вентиль. В процессе испытаний сгорание топливо-масляной смеси в цилиндре не происходит. Нагрев поршня осуществляется с помощью нагревателя. При этом обтюратор, вращаясь с заданной частотой вращения, поочередно пропускает на поршень пламя горелки и охлаждающий воздух из компрессора [1 - Патент 2560852 РФ МПК G01M 13/00].

Однако данный стенд имеет ограниченное применение, связанное с отсутствием подачи топливо-масляной смеси в цилиндр с последующим ее сгоранием. Данная особенность конструкции не может обеспечить проведение испытаний моторных масел для двухтактных двигателей с целью оценки уровня эксплуатационных свойств. При попытке реализовать рассматриваемое техническое решение при испытании моторных масел для двухтактных двигателей внутреннего сгорания ожидаемый результат получен не был.

Известна автоматизированная установка для испытаний топлив и масел при различных режимах эксплуатации двигателя, содержащая одноцилиндровый отсек дизельного двигателя КАМА3-740 с системами смазки, охлаждения, подачи в двигатель топлива и воздуха, контрольно-измерительные приборы и блок управления. Для создания стабильной топливовоздушной смеси заданного состава в систему воздухоподачи установлен специальный модуль, содержащий демпфирующее устройство. С целью обеспечения заданного температурного режима в системе смазки установлен водомасляный теплообменник закрытого типа [2 - Патент 2742158 РФ МПК G01M 15/05, G01N 33/30, F28D 1/02].

Однако данная установка также имеет ограниченное применение. На данной установке отсутствует возможность проведения испытаний моторных масел для двухтактных двигателей, так как в установке используется дизельный двигатель, который не может эксплуатироваться на топливо-масляной смеси, состоящей из автомобильного бензина и моторного масла для двухтактных двигателей. Попытка реализовать данное техническое решение при испытании моторных масел для двухтактных двигателей внутреннего сгорания так же, как и предыдущая конструкция, ожидаемого результата не принесла.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является стенд для испытаний моторных масел, содержащий одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания с электротормозом, вентилятор для воздушного охлаждения двигателя с приводом от его коленчатого вала, системы топливо-, воздухоподачи и выпуска отработавших газов, датчики температуры головки двигателя, цилиндра двигателя, воздуха на впуске в двигатель и воздуха, поступающего для охлаждения двигателя. С целью регулирования подвода к двигателю охлаждающего воздуха стенд снабжен направляющим кожухом, соединяющим вентилятор воздушного охлаждения с впускным окном воздушной системы охлаждения двигателя. В процессе работы стенда отработавшие газы через трубопровод системы выпуска отработавших газов удаляются в атмосферу. Для управления температурой двигателя стенд снабжен системой регулирования теплонапряженности, состоящей из цилиндрического кожуха с впускными окнами. Во внутренней части кожуха размещены барабан, представляющий собой цилиндр с окнами, размеры которых равны размерам впускных окон цилиндрического кожуха, а также труба с торцовым фланцем, выполненным с выпускными окнами, суммарное сечение которых больше суммарного сечения впускных окон цилиндрического кожуха. Система регулирования теплонапряженности двигателя установлена на впускное окно вентилятора воздушного охлаждения. При этом цилиндрический кожух жестко связан с ведущей шестерней редуктора, привод которого осуществляется от электромотора. Двигатель с вентилятором воздушного охлаждения размещены в замкнутой камере, выполненной в виде капота с жалюзи. Наличие капота с жалюзи позволяет регулировать температуру воздуха, подаваемого на охлаждение двигателя. Во время испытаний требуемая температура двигателя обеспечивается за счет перекрытия окон цилиндра впускными окнами цилиндрического кожуха при его повороте, а также путем открытия-закрытия жалюзи капота. При этом частота вращения вентилятора воздушного охлаждения прямо пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя, а скорость изменения количества воздуха, поступающего на обдув, задается вручную путем установки передаточных чисел в редукторе. При работе двигателя стенда на режиме максимальной мощности и максимальной частоты вращения температура отработавших газов повышается. Это способствует сильному нагреву стенок трубопровода удаления отработавших газов при прохождении отработавших газов в процессе их удаления в атмосферу по трубопроводу, в результате чего повышается пожароопасность проведения испытаний [3 - А.с. №316009 СССР МПК G01N 33/30, 1969 г. - прототип].

Недостатками данного стенда являются невозможность оперативного варьирования температурой двигателя в широком диапазоне независимо от нагрузочно-скоростного режима его работы, вызванная большой инерционностью системы регулирования температуры двигателя, сложность и металлоемкость конструкции стенда, обусловленная наличием большого количества дополнительных деталей (цилиндрический кожух, барабан, изготовленный в виде цилиндра с окнами, труба с торцовым фланцем, редуктор, капот с жалюзи) системы регулирования теплонапряженности, а также повышенная пожароопасность испытаний, так как при работе двигателя в высокотемпературном режиме температура отработавших газов повышается, провоцируя перегрев стенок трубопровода удаления отработавших газов.

Технический результат - расширение температурного диапазона проведения испытаний моторных масел для двухтактных двигателей за счет снижения инерционности процесса регулирования температуры двигателя стенда с одновременным снижением пожароопасности проведения испытаний.

Указанный технический результат достигается тем, что стенд для испытаний моторных масел для двухтактных двигателей внутреннего сгорания, содержащий соединенный с электротормозом двухтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания с выпускным трубопроводом для удаления отработавших газов в атмосферу, датчик температуры головки двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания и воздушную систему охлаждения двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания, впускное окно которого соединено через направляющий кожух с вентилятором, согласно изобретению выходной участок выпускного трубопровода для удаления отработавших газов в атмосферу размещен в герметичной камере с охлаждающей жидкостью по ее продольной оси, во впускном канале герметичной камеры установлен регулировочный клапан с исполнительным механизмом, за герметичной камерой в выпускном трубопроводе удаления отработавших газов в атмосферу установлен датчик температуры отработавших газов, а вентилятор воздушного охлаждения двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания выполнен с индивидуальным приводом, при этом датчик температуры головки двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания и датчик температуры отработавших газов подключены к дополнительно введенному программному блоку управления, один из выходов которого связан с исполнительным механизмом регулировочного клапана, установленного во впускном канале герметичной камеры, а другой выход соединен с индивидуальным приводом вентилятора системы воздушного охлаждения двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания.

На фиг.1 представлена блок-схема стенда для испытаний моторных масел для двухтактных двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС).

Стенд для испытаний моторных масел для двухтактных двигателей внутреннего сгорания (как в прототипе) содержит электротормоз 1 (фиг.1) и двухтактный ДВС 2 (как вариант, можно использовать двухтактный бензиновый ДВС модели РМ3-500), соединенные с помощью привода 3, как вариант, поликлиновой передачи. В качестве электротормоза 2 может быть использована динамометрическая машина IDS641-4/N производства MEZ VSETIN.

Двухтактный двигатель 2 оснащен системами 4 воздухоподачи и 5 топливоподачи. Система воздухоподачи 4, как вариант, содержит воздушный фильтр и расходомер воздуха (на фиг.1 не показаны), установленные последовательно в воздухопроводе, который присоединен к карбюратору двигателя 2. Система топливоподачи 5, как вариант, состоит из топливного бака, топливного фильтра и расходомера топлива, которые установлены в топливопроводе, соединяющем топливный бак и карбюратор. В процессе работы двигателя 2 в карбюраторе происходит смешивание топливо-масляной смеси с воздухом, далее готовая топливо-масло-воздушная смесь попадает в двигатель, где происходит ее сгорание.

Для удаления отработавших газов стенд оснащен выпускным трубопроводом 6 удаления отработавших газов в атмосферу.

Температурный режим работы двигателя 2 контролируют с помощью датчика 7 температуры, установленного в его головку (как вариант, можно использовать термопреобразователь сопротивления ТС-1388 с диапазоном измерений от -50 до 350°С).

Заявляемый стенд оснащен воздушной системой охлаждения двигателя 2, основным узлом которой является воздушный вентилятор 8. В отличие от прототипа, вентилятор 8 не связан с коленчатым валом двигателя 2, а оснащен индивидуальным приводом 9. Вентилятор 8 подбирается индивидуально для каждого двигателя, например, для двигателя РМ3-500 подобран радиальный воздушный вентилятор BP 80-75 производительностью 1,8-10³-4,0-10³ м³/ч. В качестве индивидуального привода 9, как вариант, использован асинхронный двигатель модели 5А80МА2. При этом выпускное окно 10 вентилятора 8 связано с впускным окном 11 системы охлаждения двигателя 2 посредством направляющего кожуха 12. Воздух для охлаждения поступает в вентилятор 8 через его впускное окно 13, далее из его выпускного окна 10 по направляющему кожуху поступает во впускное окно 11 системы охлаждения стенда 2 и, пройдя через ребра охлаждения двигателя, охлаждает двигатель 2 до требуемой температуры.

Наличие индивидуального привода 9 вентилятора 8 обеспечивает условия для реализации ускоренных методик испытаний моторных масел для двухтактных ДВС, которые предполагают работу двигателя в критических условиях (при повышенной температуре и максимальных значениях мощности и частоты вращения). Штатная система воздушного охлаждения двигателя не позволяет одновременно обеспечить максимальную частоту вращения и повышенную температуру двигателя, так как воздушный вентилятор связан с коленчатым валом двигателя либо какой-то передачей (например, ременной), либо устанавливается на него. Это приводит к тому, что с увеличением частоты вращения двигателя повышается частота вращения воздушного вентилятора, следствием чего является более интенсивное охлаждение двигателя. Так, при работе на режиме максимальной мощности и максимальной частоты вращения температура двигателя РМ3-500 со штатной системой охлаждения (привод вентилятора осуществляется от коленчатого вала двигателя) находится в диапазоне 140-160°С. На заявляемом стенде при работе на режиме максимальной мощности и максимальной частоты вращения температуру двигателя можно задавать в широком диапазоне - от нормальной 140-160°С до критической 200-210°С за счет введения индивидуального привода 9 вентилятора 8 системы охлаждения двигателя.

Так как испытания моторных масел на заявляемом стенде могут проводиться при критической температуре двигателя, то повышается пожароопасность проведения самих испытаний. Из-за того, что повышается температура отработавших газов, которые, перемещаясь по трубопроводу 6 их удаления в атмосферу, нагревают его, что и может спровоцировать возгорание в помещении моторного бокса. Поэтому для снижения пожароопасности проведения испытаний стенд содержит герметичную камеру 14 с охлаждающей жидкостью. При этом по продольной оси герметичной камеры 14 размещен выходной участок выпускного трубопровода 6 удаления отработавших газов.

Герметичная камера 14, как вариант, может быть выполнена цилиндрической с впускным каналом 15, расположенным в нижней части, и выпускным каналом 16 - в верхней части, создавая циркуляционный контур (на фиг.1 не показан). Расположение выпускного канала 16 в верхней части герметичной камеры 14 позволяет избежать образования паровоздушных пробок в объеме охлаждающей жидкости. Впускной канал 15 соединен с источником охлаждающей жидкости (как вариант, источником проточной воды), а выпускной канал 16 - со сливом. Для регулирования подачи охлаждающей жидкости во внутреннюю полость герметичной камеры 14 во впускном канале установлен регулировочный клапан 17 с исполнительным механизмом 18 (как вариант, можно использовать шаровой кран с сервоприводом). На выходе из герметичной камеры 14 в трубопроводе 6 удаления отработавших газов установлен датчик 19 температуры отработавших газов (как вариант, можно использовать термоэлектрический преобразователь ТП-2488 с диапазоном измерений от -40 до +800°С). При прохождении отработавших газов по трубопроводу 6, участок которого размещен в герметичной камере 14, происходит снижение их температуры.

Для создания и автоматического поддержания оптимального температурного режима работы двигателя 2 и температуры отработавших газов в трубопроводе 6 их удаления заявляемый стенд оснащен программным блоком управления 20, который может быть встроен, как вариант в пульт управления стендом (на фиг.1 не показан).

На соответствующие входы программного блока 20 управления поступают сигналы с датчика 7 температуры головки двигателя и датчика 19 температуры отработавших газов. При этом первый выход блока 20 соединен с индивидуальным приводом 9 вентилятора 8 воздушного охлаждения, а второй - с исполнительным механизмом 18 клапана 17 регулирования подачи охлаждающей жидкости во внутреннюю полость герметичной камеры 14.

Работает стенд следующим образом.

Пример

Необходимо определить склонность моторного масла для двухтактных двигателей к образованию высокотемпературных отложений.

Топливный бак стенда (на фиг.1 не показан) заправляют топливно-масляной смесью, приготовленной из автомобильного бензина и анализируемого моторного масла для двухтактных двигателей. Включают электропитание стенда, запускают двигатель 2 и осуществляют его прогрев до требуемой температуры (например, до температуры головки двигателя 160°С).

Далее в программный блок 20 управления вводят требуемые значения температуры головки двигателя 2 (например, 200°С) и температуры отработавших газов (например, 350°С). Выводят с помощью органов управления стенда двигатель 2 на режим максимальной мощности при максимальной частоте вращения коленчатого вала и начинают испытания.

В процессе работы двигателя 2 его температура повышается, и, достигнув заданного значения (например, 200°С), программный блок 20 подает на индивидуальный привод 9 воздушного вентилятора 8 определенный электрический сигнал, в результате чего вентилятор начинает вращаться с требуемой частотой вращения, обеспечивая заданную подачу воздуха на охлаждение двигателя 2. При этом точность поддержания температуры двигателя составляет ±1°С.

В свою очередь, датчик 19 фиксирует изменение температуры отработавших газов на выходе из герметичной камеры 14. При достижении температуры отработавших газов заданного значения (например, 350°С) программный блок 20 управления подает электрический сигнал на исполнительный механизм 18 клапана 17 регулировки подачи охлаждающей жидкости, который открывается на определенную величину и обеспечивает поступление охлаждающей жидкости во внутреннюю полость герметичной камеры 14. При этом температура отработавших газов при прохождении через герметичную камеру 14 будет уменьшаться и поддерживаться на требуемом уровне в автоматическом режиме за счет обеспечения величины открытия (или закрытия) клапана 17 регулировки подачи охлаждающей жидкости, установленного во впускном канале 15 герметичной камеры 14.

В случае испытания моторного масла при переменной температуре двигателя при неизменном нагрузочно-скоростном режиме (например, требуется провести испытания моторного масла на постоянном режиме максимальной мощности и максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя в течении 2 ч при температуре двигателя 180°С, 4 ч - при 200°С и 2 ч - при 180°С) оператор стенда попеременно вводит в программный блок 20 управления требуемые температуры двигателя в процессе работы стенда, не останавливая его. При этом специальное программное обеспечение, считывая в постоянном режиме температуру двигателя с датчика 7 и сопоставляя ее значение с задаваемым, обеспечивает поддержание температурного режима работы двигателя на требуемом уровне.

По завершении испытаний стенд останавливают, разбирают двигатель и в соответствии с методикой испытаний оценивают подвижность поршневых колец и количество высокотемпературных отложений (лаки и нагар) на поверхности поршня и в поршневых канавках.

Таким образом, представленная в формуле изобретения совокупность существенных признаков (программный блок 20 управления, замкнутая герметичная камера 14 с охлаждающей жидкостью и клапаном 17 регулировки подачи охлаждающей жидкости с исполнительным механизмом 18, датчик 19 температуры отработавших газов, индивидуальный привод 9 вентилятора 8 воздушного охлаждения) достаточна для достижения заявляемого технического результата. Авторы не обнаружили источников информации, в которых бы эта совокупность признаков была описана с достижением указанного технического результата.

Применение заявляемого изобретения за счет совокупности существенных признаков позволит расширить температурный диапазон проведения испытаний моторных масел для двухтактных двигателей за счет снижения инерционности процесса регулирования температуры двигателя стенда с одновременным снижением пожароопасности проведения испытаний.

Изобретение относится к стендам для испытаний моторных масел и может быть использовано в научно-исследовательских организациях, лабораториях нефтеперерабатывающих заводов и в других организациях, осуществляющих контроль качества моторных масел для двухтактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Стенд для испытаний моторных масел для двухтактных ДВС содержит соединенный с электротормозом 1 двухтактный ДВС 2 с выпускным трубопроводом 6 для удаления отработавших газов, датчик 7 температуры головки ДВС 2 и воздушную систему охлаждения ДВС 2 с вентилятором 8, оснащенным индивидуальным приводом 9. Для создания и автоматического поддержания оптимального температурного режима работы ДВС 2 и температуры отработавших газов в выпускном трубопроводе 6 ДВС стенд оснащен блоком управления 20, один выход которого соединен с индивидуальным приводом 9 вентилятора 8 воздушного охлаждения, а второй - с исполнительным механизмом 18 клапана 17 регулирования подачи охлаждающей жидкости во внутреннюю полость камеры 14, в которой размещен участок выпускного трубопровода 6 ДВС. Технический результат: расширение температурного диапазона проведения испытаний моторных масел для двухтактных двигателей за счет снижения инерционности процесса регулирования температуры двигателя стенда с одновременным снижением пожароопасности проведения испытаний. 1 ил.

Стенд для испытаний моторных масел для двухтактных двигателей внутреннего сгорания, содержащий соединенный с электротормозом двухтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания с выпускным трубопроводом для удаления отработавших газов в атмосферу, датчик температуры, установленный в головку двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания, и воздушную систему охлаждения двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания, впускное окно которого соединено через направляющий кожух с вентилятором, отличающийся тем, что выходной участок выпускного трубопровода для удаления отработавших газов в атмосферу размещен в герметичной камере с охлаждающей жидкостью по ее продольной оси, во впускном канале герметичной камеры установлен регулировочный клапан с исполнительным механизмом, за герметичной камерой в выпускном трубопроводе удаления отработавших газов в атмосферу установлен датчик температуры отработавших газов, а вентилятор воздушного охлаждения двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания выполнен с индивидуальным приводом, при этом датчик температуры головки двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания и датчик температуры отработавших газов подключены к дополнительно введенному программному блоку управления, один из выходов которого связан с исполнительным механизмом регулировочного клапана, установленного во впускном канале герметичной камеры, а другой выход соединен с индивидуальным приводом вентилятора системы воздушного охлаждения двухтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания.