Контроль теплового состояния турбокомпрессоров сельскохозяйственных машин
Thermal monitoring of agricultural machinery’s turbochargers

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

двигатель, система смазки, подшипники, турбокомпрессор, гидроаккумулятор, прокачка, смазка, тепловой режим, engine, lubrication system, bearings, turbocharger, hydraulic accumulator, pumpability, lubrication, thermal mode

АННОТАЦИЯ

Авторы: Гриценко Александр Владимирович, Бурцев Александр Юрьевич, Патов Артем Германович, Лукомский Константин Иванович

В сельскохозяйственном машиностроении активно используется турбонаддув. Турбокомпрессоры (ТКР) сегодня устанавливают на 90 % автотракторной техники, используемой в сельском хозяйстве. В результате анализа сформулирована проблема замещения электронных компонентов и систем на более простые решения: установку в систему смазки двигателя внутреннего сгорания (ДВС) двух гидроаккумуляторов (ГАКБ) – прокачивающего и питающего. Рассмотрение теории вопроса показывает, что использование ГАКБ в системе смазки позволяет к 180-й секунде, прошедшей с момента выбега, снизить температуру подшипника ротора ТКР на 15 °С. Проведенные расчеты позволили установить объемы рабочих камер ГАКБ прокачивающего и питающего, которые соответственно составили 4,5 и 1,2 литра. В методической части исследования представлены спроектированные ГАКБ и схема модернизированной системы смазки. В экспериментальной части работы установлено, что в штатном режиме при остановке ДВС время снижения величины давления перед подшипником ТКР до 0 составляет менее 5,25 секунды. Тогда как время выбега турбокомпрессора продолжается от 10 до 20 секунд в зависимости от режима. Таким образом ¾ времени выбега подшипник находится при подпитке нулевым давлением. Установка ГАКБ позволяет более 20 секунд поддерживать рабочее давление у подшипника. Так, при начальном давлении 0,599 МПа к концу 20-й секунды оно снижается всего на 0,13 МПа, обеспечивая с высоким запасом подпитку подшипника ТКР поступающим свежим маслом. Результаты экспериментальной работы с учетом варьирования температуры входного масла в подшипник турбокомпрессора Т_вх = 70…90 °С позволяют определиться с границами эффективности работы подшипников ТКР, их подпитки и лучшей прокачиваемости масла. В рабочих зонах частот вращения вала ротора ТКР 65 000–75 000 мин^–1 при минимальных входных давлениях 0,10–0,15 МПа рабочая температура масла повышается до 111 °С, что является близким результатом к предельным значениям температур масла. Повышение величины давления масла до 0,25 МПа в зоне тех же частот вращения вала ротора ТКР приводит к снижению температуры масла до 106 °С. Правильная подборка рабочих объемов ГАКБ позволяет избежать перегрева подшипников и масла, обеспечив при этом эффективную работу ДВС на любых возможных режимах.

Abstract:

NAME: Thermal monitoring of agricultural machinery’s turbochargers
AUTOR: Gritsenko Aleksandr Vladimirovich, Burtsev Aleksandr Yuryevich, Patov Artyom Germanovich, Lukomskiy Konstantin Ivanovich

Turbocharging is actively used in agricultural engineering. Nowadays turbochargers are installed on 90 % of automotive and tractor equipment used in agriculture. As a result of the analysis, the problem of replacing electronic components and systems with simpler solutions was formulated: the installation of two hydraulic accumulators in the lubrication system of an internal combustion engine (ICE) – pumping and feeding. Consideration of the theory of the issue shows that the use of hydraulic accumulator in the lubrication system allows reducing the temperature of the rotor bearing of turbocharger by 15 °С by the 180th second since the runout. The designed hydraulic accumulators and the scheme of the upgraded lubrication system are presented in the methodological part of the study. In the experimental part of the work, it was found that in the normal mode, when the ICE is stopped, the time for reducing the pressure in front of the turbocharger’s bearing to 0 is less than 5.25 seconds. Whereas the runout time of the turbocharger lasts from 10 to 20 seconds depending on the mode. Thus, ¾ of the run-out time of the bearing is at zero pressure feeding. The installation of hydraulic accumulator allows for more than 20 seconds to maintain the operating pressure of the bearing. Thus, at an initial pressure of 0.599 MPa, by the end of the 20th second, it decreases by only 0.13 MPa, providing the bearing of the turbocharger with a high supply of incoming fresh oil. The results of experimental work, considering the variation of the temperature of the inlet oil to the turbocharger bearing T_vx = 70…90 °С, make it possible to determine the limits of the efficiency of the turbocharger bearings, their replenishment and better oil pumpability. The operating oil temperature rises to 111 °C in operating areas of rotation speed of the turbocharger rotor shaft 65,000–75,000 min^–1 with minimum input pressures of 0.10–0.15 MPa. It is close to the limit values of oil temperatures. Increasing of oil pressure up to 0.25 MPa in the area of the same rotation speed of the rotor shaft leads to decreasing of oil temperature to 106 °С. The right choice of working volumes of the hydraulic accumulators allows avoiding overheating of bearings and oil, while ensuring efficient operation of the ICE in any possible modes.