автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Механические потери в двигателях внутреннего сгорания

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫИ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ8 ОЛ

. „ ..--.< ,•, На правах рукописи

ЗАГАЙКО Сергей Андреевич

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Специальность 05.04.02 — Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА ШЗ

Работа выполнена на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания» Уфимского государственного авиационного технического университета.

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Рудой Б. П.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Прокофьев В. Н., кандидат технических наук Глухов К. В.

Ведущее предприятие — Горьковский автомобильный завод.

Защита диссертации состоится «_»_1993 г.

в «___» часов на заседании специализированного совета

К-063.17.04 по специальности 05.04.02 — тепловые двигатели при Уфимском государственном авиационном техническом университете (450000, г.Уфа, ул. К.Маркса, 12).

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке университета.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан «___» _____1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук,

доцент Смыслов А. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эксплуатационные. характеристики двигателя внутреннего сгорания (ЛВС) определяется не только индикаторными показателями, которые характеризуют рабочие процессы в его цилиндрах, но также и механическими, зависящими от многих Факторов - температуры стенок цилийдров, частоты вращения вала, режима работы и т.д. Механические показатели двигзтеля оцениваются величиной механических потерь. При уменьшении механических потерь значительно повышаются эксплуатационнне качества ДВС. Именно поэтому проявляется интерес к исследованиям механических потерь и, "в первую очередь, потерь работы в результате действия сил трения в механических устройствах ДВС. Это объясняется также и тем фактом, что то tire потери составляют значительную часть работы, производимой двигателем, из чего следует экономическая обоснованность проведения мероприятий на снижете таких потерь, а следовательно, на повтпениэ механического КГЩ, причем в такой степени, чтобы оказать влияние на увеличение общего КПД двигателя. Поскольку довольно высокий процент (25-30S) индикаторной работы двигателя затрачивается на механические потери, то определение их величины на - стадии проектирования двигателя является важнейшей задачей, решение которой позволяет оценить эффективность конструктивных решений элементов ДВС с точки зрения минимизации механшеских потерь как за счет подбора материалов пар трения, их смэоки и размеров, так и перераспределения нагрузок в зависимости от его режимов работы. Работа выполнена в ' соответствии с отраслевой программой "Малое транспортное средство России" и договором мояду Уфгтмскгал государственным пгиационкым техническим унтаер'^техг ч и Тульским магашостротелдачл апродсм.

Цель раЗито. Разработать ммитаишпяю т.тол«ля расчета тР'-----Г.; !•.'••<..oî> ■ ГСЧЛР? И ТП',">">Г р. ДРС ИЗ СТАДИИ

проектирования.

На защиту выносится технология определения механических потерь в ДВС на стадии проектирования.

Задачи исследования.

1. Теоретическое изучение возникновения механических потерь в элементах двигателя (кинематических парах узлов ДВС и приводе вспомогательных агрегатов) и влияния на них различных ■ факторов, с целью разработки программных модулей, имитирующих процессы трения в элементах ДВС.

2. Разработка классификации механических потерь в комбинированных ДВС.

3. Разработка методики расчета механических потерь и механического КПД двигателя на любых скоростных и нагрузочных режимах, включая запуск двигателя, его торможение и работы на переходных режимах.

Методы и объекты исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Расчетные исследования механических потерь в двигателях проводились на ПЭВМ с использованием математических моделей, реализованных в виде программных модулей в системе имитационного моделирования ДВС "Альбея". Экспериментальные исследования проводились на двигателях М-412 (ШЛО), УМЗ-5А (УШ10), РЫЗ-640А1 ("Буран") и ТМЗ-2СШ ("Тула").

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые ДВС представлен в виде сложной трибологической систеш, аналитически описанной и представленной в виде пакета модулей по расчету механических потерь;

разработана технология определения механических, потерь в двигателе на стадии проектирования, по точности превосходящий суи-члвундав стандартные . экспериментальные технологии.

используемые при испытаниях натурных двигателей В 1,4 - 2,0 раза;

- впервые определена достоверность определения механических потерь стандартными методами холодной прокрутки и отключением цилиндров двигателя;

разработаны имитационные модели для определения механических потерь в большинстве кинематических пар й вспомогательных устройств, встречающихся в ДВС;

- уточнен метод определения давления в заколечных объемах;

- впервые показано, что для каждого двигателя существует минимум механических потерь, зависящий от массы деталей цилиндро-поршневой и кривошипно-ша1|унной групп.

Практическая ценность. Предложенный метод расчета ' потерь мощности в ДВС и разработанный инструмент позволяет получить ряД возможностей, которые необходимы конструктеэу при проектированйй двигателя, а именно:

- расчет кинематики и динамики двигателя и его элементов, а также определение мгновенной частоты вращения коленчатого вала в любой момент времени;

- расчет механических потерь поэлементно, а также в двигателе в целом в любой момент времени на любых регатах его работы;

- расчет цикловых механических потерь и механического КПД при переменной частоте вращения коленчатого вала двигателя (включая и изменение частоты вращения в течение одного цикла);

- анализ распределения механических потерь по элементам двигателя нэ различных реттах работы в течение цикла, что позволяет модифицировать те узлы или агрегаты, в которых происходят наибольшие потери индикаторной работы;

- анализ влияния вклада каждого элемента (кинематическая пара или агрегат) в суггерние потери во 1?сем двигателэ.

Достоверность результатов оцштвзлгсь сравнением хера».те-

picwuc при испытании и численном моделировании двигателей Р<13.ПЦЧ1Ша модификаций по всей внешней скоростной характеристике (ВСХ). Сравнение проводилось по эффективной мощности и мощности холодной накрутки двигателя. Относительная погрешность при сравнении эффективных мощностей составляла не боло о 5 %, при" сравнении мощностей холодной прокрутки - не более 10 %.

Практическая реализация. Методика расчета механических • потерь в комбтшровашшх ДВС реализована в системе имитационного моделирования "Альбея" и используется при моделированиях двигателей на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Уфимского гссударствешюго авиационного технического университета.

Апробация работы. Диссертационная работа доложена и одобрена на расширенном заседании кафедры "Двигатели внутреннего сгорания" УГАТУ. Результаты работы докладывались на втором всесоюзном научно-практическом семинаре (г.Владимир, 1991 г.) и кош^орениил (г.Пенза, 1991 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы тезисы докладов на конференции в Пензе (1991 г.) и во Владимире (1991 г.) и выпущены 2 отчета о НИР.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения, изложена на 221 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка, Б таблиц. Список использованных источников включает 41 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе обоснована актуальность ты-ш исследования и дан критический анализ работ отечественных и зарубежных. авторов по методам определения механических потерь в ДВС. Показано, что ¡.:;;шшческие потери в ДВС определялись в основном ■•...•.герименталььим путем стандартными методами (стендовые >. :.i«iTaiwa двигателей). При испольсовашш ьтг i^Torpii' от^&й-'ьч

■т

потери в элементах двигателя довольно трудоемко и не всегда можно получить достоверную информацию. Что касается теоретических методов оценки, то, если, с одной стороны, теория смазки дает тщательно разработанные математические модели для наиболее простых случаев (подшипники), с другой стороны, эти модели мало используются для определения механических потерь на трение в тронковых двигателях. Поэтому возникла необходимость обобщить полуэмпириче «сие зависимости, полученные в экспериментах И.В.Крагельским, А.В.Чичинадзе и другими авторами с тем, чтобы создать математические модели расчета механических потерь применительно к элементам двигателей внутреннего сгорания и проверить их адекватность путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных.

Во второй главе приводится классификация механических потерь, показанная на рис.!, в которой все мех .нические потери в ДВС можно разделить на три класса по способу и: происхождения:

- потери на трение в узлах и агрегатах ДВС и производные этого вида потерь;

г потери, на привод вспомогательных агрегатов ДВС;

- насосные потери, которые также относят к механическим потерям, хотя это не совсем верно, т.к. они долкны учитываться индикаторной мощностью.

' В этой ке главе приводится методика расчета механических потерь и представлены математические модели расчета последних по элементам двигателя.

Методика расчета механических потерь в узлах трения ДВС, выраженная в виде математических моделей и реализованная в виде программных модулей, основана на выводах и заключениях молекулярно-механической теории трения (ШТТ). Это позволяет оценить потери в узлах трения двигателя при работе их в режиме граничного и нидкостного трения. По МИТ контурная плеч'ляъ на

Мехыичесюк потерн

Иотэри на тро.ч^ ь узлах

Потеги на привод

вспомогательных

агрегатов

Потери на трение

Потери на ВКЭЗД89 трелне

Потери йэ внутренне трениэ

I г

потери ПЕЙ !сткоситвль-гегеме-Шбг-И двух ¡тг'зрда тел

Аэродинамические потери

Потери на трение в яидкости или газе (вязкостное трение )

¡Потери ка I трокие I СКОЛЫ с ии я

Потер!! на трение качения

Потегя! кэ трение в сплошном материале (упругая деСормт«^)

I Г

Потери ери растет; ниц материала Потери при сгата материала Потери при изгибе материала Потери при кручвнш материала

Расчетам схема даггателя М—412

контакте определяется по формуле:

"о - Ла'№ V ■в Ра

У нв

V +6 V

где Аа- номинальная' площадь контакта, м2; Кд - коэффициент волнистости поверхности; К^ - коэффициент, учета высоты волны; И,, - радиус волны микронеровностей, м; НВ - твердость наименее твердого из контактирующих материалов. Па; в- упругая константа материала в соответствии, 1/Па; Ра - номинальное давление на контакте, Па; - параметр степенной аппроксимации кривой опорной поверхности; б —коэффициент формы пара трения.

Фактическое давление на контакте описывается формулой;

0,48-д0'4'Р

рг =-^оТв • (2)

• в которой Рс= Ра-Аа / Ас- контурное давление на контакте, Па; д -характеристика шероховатости поверхности.

Толщина смазочной пленки определяется по формуле:

. с

>, о.оэ о,«>/Г 2Р.-А 1

Ьсм -1.6.« (Ч.у) . Е8К -Я. / [ , (3)

где а - пьезокоэффициент вязкости смазки, мм'/Н; »» - мгновенная

динамическая вязкость смазки, Па-с; 7 - скорость относительного

перемещения трущихся пар, м/с; Еэк - эквивалентный модуль

упругости. Па; И - эквивалентный радиус кривизна ' соприкасающихся

поверхностей, м.

По толщине смазочной пленки определяется режим трения.

Коэффициент трения в режиме шлуяядкостного трения

определяется по формуле:

/_ = /_- К-——— , (4)

В 3 V .ъ

га "см

где К - коэффициент, характеризующий геометрия контакта трущхся

контакта и определяемый по одной из формул:

- для упругого контакта:

Т 0,2

/а = ~ + 0 + 0,23.*г.л°'4(рс.е) ; (5)'

г

- для пластического контакта:

т , п Ч о , г з

/о = — + р + 0,52-Д • —2- , (6)

3 11В 1 НВ -1

в которых то - сдвиговое сопротивление (фрикционный параметр),

кг/м2; А - коэффициент упрочнения молекулярной связи

(фрикционный параметр); <>г - коэффициент гистервзисшх потерь.

• ' Коэффициент в рекиме жидкостного' трения определяется по

широко известной формуле:

и = • (7)

в которой Р - удельная сила на поверхность контакта, Н/м; С -коэффициент, зависящий от геометрических параметров контакта.

Тогда сила трения в паре' и потери мощности на трение будут определяться по следующим зависимостям:

гтр = ра"Аа^ • <8>

= Ртр'ур • <9>

Механические потери, определешше по приведенным во второй

главе моделям, являются мгновенными, имеют размерность мощности (Вт) и считаются постоянными на рассматриваемом временном отрезке, т.о. в течении рассматриваемого дискрета времени лг механические потери не изменяются.

В конце главы приводится способ определения механических потерь в ДВС за цикл и определение механического КЦЦ двигателя.

В третьей глава описывается вычислительная техника, па которой - проводились численные эксперименты, и требования, предъявляем« к вычислительной технике".

Числошше эксперименты проводились с использованием системы

имитационного моделирования "Лльбся" - интерактивной (диалоговой) системы автоматизированного имитационного моделирования процессов, протекающих в ГВТ комбинированных ДВС. Базовые модули элементов ГВТ учитывают волновой характер газодинамических процессов и теплообмен. В качестве базовых элементов ГВТ система включала следующие прикладные модули - АТМОСФЕРА, ЦИЛИНДР, КАМЕРА, ТРУБКА, РЕСИВЕР, ТРОЙНИК, ДИАФРАГМА, ОКНО и КЛАПАН.

Для расчета кинематики и динамики КШМ, расчета механических потерь и эффективных показателей двигателей в систему "Альбея" были добавлены следующие программные моду .ли:

1. Модуль КИМ, имитирующий движение звеньев КШМ с учетом его массовых и инерционных характеристик любой кинематической схемы: рядные, У-образные, И-образные, Х-образп е и т.д. Модуль определяет перемещение, скорость и ускорен!,э поршня, угол ПКВ и угловые скорости и ускорония коленчатого вала и шатуна в зависимости от текущей мгновенной частоты вращения вала и мгновенной силы, передаваемой от поршня КИМ. Модуль также моделирует процессы трения-в подгашпптках шатунных и корешшх шеек коленчатого вала, поршневого пальца ■ и прицепного шатуна, в уплотнптельннх устройствах вала и рассчитывает мощность мгновенных механических потерь в этих элементах.

2. Модуль ПОГНИСЬ, имитирующий процессы трения в ЦНГ ДВС и двгаэшш поршня. Модуль также служит для определения перепада давлений газа в рабочой каморе и в подпоршневой полости двигателя (в кривошипной камере) и расчета усилий на поршень от этого перепада, передаваемых КШМ.

3. Модуль ПОТРЕБИТЕЛЬ, имитирующий работу тормозного стенда или какого-либо устройства отбора мощности с двигателя. Модуль Позволяет рассчитывать дин,татку торможения двигателя при принятии нагрузки с учетом массовых и инерционных характеристик как гпчого двигатоля. так и устройства отбора мощности.

4. Модуль СТАРТЕР, имитирующий работу электростартера, ручного стартера или какого-либо пуского устройства ДВС. Модуль позволяет рассчитывать динамику запуска двигателя и осуществляет подвод крутящего момента к коленчатому валу двигателя.

Б. Модуль ПЕРЕДАЧА, имитирувдий работу цепной, клиноременной или зубчатсремеяной передач крутящего момента. Модуль позволяет моделировать динамику вращения звездочек или шкивов передачи с. учетом массовых и инерционных характеристик и рассчитывает мгновенные потери мощности в этой передаче.

6. Модуль ЗУБ_ПЕРВЦАЧА, имитирующий работу зубчатой передачи крутящего момента. Модуль позволяет моделировать динамику вращения шестерни и колеса с учетом массовых и инерционных характеристик и рассчитывает мгновенные потери мощности в этой передаче. ' -

7. Модуль ГРЫ, имитирующий движения звеньев газораспределительного механизма в зависимости от вращения распределительного вала (РВ) с учетом их массовых и инерционных характеристик любой кинематической схемы: с никним или верхним расположением клапанов, одно- или двухклапашше, с коромыслом и без него, и т.д. Модуль определяет перемещения, скорости и ускорения клапанов и элементов клапанных механизмов в зависимости от текущей мгновенной частоты вращения РВ и мгновенной газовой силы, передаваемой от клапана. Модуль также моделирует процессы трения в подлинниках РВ и коромысел, направляющих втулках клапанов, штанг и толкателей, при трении коромысла или толкателя о поверхность кулачка РВ и рассчитывает мощность мгновенных механически: потерь в этих элементах.

8. Модуль ВИШШТОР, имитирующий работу вентилятора системы воздушного охлаждения ДВС. Модуль позволяет рассчитывать михакцчиские потерн на привод вентилятора на любых скоростных ¡ъалчих рабсл; ДОС.

9. Модуль ПОМПА, имитирущий работу водяного насоса (помпн) системы ¡надкостного охлаждения двигателя. Модуль позволяет рассчитывать механические потери на привод водяного насоа на любых, скоростных режимах работы ЛВС.

10. Модуль МАСЛОНАСОС, имитирующий работу масляного насоса системы смазки двигателя. Модуль позволяет рассчитывать механические потери на привод масляного насоса на любых скоростных режимах работы ЛВС.

11. Модуль ГЕНЕРАТОР, имитирущий работу'генератора системы зажигания двигателя. Модуль позволяет рассчитывать »¿ехщтические потерн на привод генератора на любых скоростных режимах работы ЛВС.

12. Модуль ВЕТВИТЕЛЬ, имитирующий вращение вала, на котором находятся несколько потребителей механической энергии и осуществляет разделение потока энергии по ьтим потребителям на всех режимах работы ДВС.

Далее приводится описание вышеперечисленных модулей, которые учитывают кинематику и дшшмику объекта с учетом масс его деталей и узлов и их моментов инерции, что позволяет в системе "Альбея" из кубиков-модулей собирать практически любую кинематическую (структурную) схему МИ двга'ателя с навесными агрегатами.

В этой ке главе описывается порядок проведения числешшх экспериментов и сравнение их результатов по определогоот механических потерь со стендовыми испытаниями.

Для проверки разработанной методики определения механических потерь в МО были проведены числешшо эксперименты и рассчитаны эффективные показатели нескольких вышеперечисленных двигателей на режимах работы цилиндров и холодной прокрутки. Затем расчетные параметры срастались с показателя:,^ натур-мх экспзргаентов этих двигателей, прогодего-гс на кг.фздре ЛЕС Уфимского государственного авиационного т'.:шичес:-'ото унгверентета.

На примере сравнения расчетных и экспериментальных дашшх двигателя М-412 показана адекватность математических моделой расчета механических потерь. Расчетная схема двигателя М-412 приведена на рис.2, на котором модули 3-24 имитируют ГВТ двигателя: модули под номерами 3 и 24 имитируют атмосферу, модуль 4 - фильтр, 5 - емкость разветвления трубопроводов впускного коллектора, 6 - 9 - трубопровода впускного коллектора, 10 - 13 -цилиндры двигателя, 14 - 17, 20, 21, 23 - трубопровода выпускного коллектора, 18, 19, 22 - разветвление трубопроводов выпускного коллектора. Осталыше модули имитируют кинематическую схему ДВС: модули 49 - 52 имитируют ЦПГ, 52 - КШМ, 54 - цепную передачу привода ГРМ, 55 - ГРМ, 56 - клиноременную передачу привода генератора, вентилятора и водяного насоса, 57 - генератор, 58 -делитель мощности мезду модулями 59 и 60, 59 - вентилятор, 60 -водяной насос, 76 - стартер, 77 - испытательный стенд.

Численный эксперимент по расчету механических потерь на реагинах холодной прокрутки и работы цилиндров двигателя М-412 показал хорошее совпадение &Ф1октиышх показателей при работе цилиндров двигателя - относительная погрешность стендового и численного аксперимзнтов не превышала 3% по всей ВСХ двигателя. Сравнение показателей холодней прокрутки тсае дало достаточно хорошее совпадение - относительная погрешность не превышала Ь% по всей ВСХ, что говорит о достаточной адекватности математических моделей, имитирующих процессы трения в кинематических парах ДВС. Поскольку технологическая погрешность изготовления ДВС на машиностроительных предприятиях достигает 5...10 % от номинальной эффективной мощности двигателя, то данная методика расчета механических потерь будет эффективна' при -проектировании новых двигателей, имеющих заданные параметры. Сранителыше 1'ра$;иси стендового м расчетного экспериментов двигателя М-412 приведены н:ч рлс.З, и я котором обозначены Н? - эффективная мощность, снятая

24

12

а

Сравнительный анализ расчетных данных • по ВСХ двигателя Ы-412

N.

кВт

48 36

Стешем и рггчегшЗ шхыцче!у;а КШ 114 роаша ЕСI дцуамш и-412

4 1 <

1 \ ^^

А/е / ™ 1

/ \ Мн <л Г::

1800 2600 3400 4200 5000 5800 1800 2600 3400 4200 5000 5800

П, Об/МИН п, 0(3/1 ЙШ

1 Рлс. 4. Рис. 3.

на стенде; нР - расчетная эффективная мощность двигателя; -

мощность холодней про!фут1ш, снятой на стенде; 1[РД - расчетная

мощность холодной прокрутки. На этом яе рисунке приводен график

зависимости расчетных действующи механических потерь 1)Р ео время

работы цилиндров двигателя от частоты вращения коленчатого вала

двигателя. Из графиков видно, что ¡¡Р во Бремя работы двигателя

значительно отличаются от значений механических потерь,

измеряемых при холодной прокрутке двигателя балзнсирной мааиной.

Следовательно, механический КГЩ, рассчитанный по мощности,

потребляемой двигателем на режима холодной прокрутки, но является

истинным. Разница меаду расчетным механическим КПД и механическим

КПД, определенным по мощности холодной прокрутки, хорошо видна па

графике, показанном на рис.4, где т>° - механический КПД,

рассчитанный по данным холодной прокрутки. снятой на стенде; т}Р -

м

мехшшческий КПД, рассчитанный по расчетной действующей мощности

механических потерь. Таким образом, действительный механический КОД дьш'ателя М-412 значительно отличается от того механического КИЛ, что используют для сравнения двигателей между собой и по koto¡x>m.v оценивают механическую компоненту мощности двигателя. То ко относитсп и к методу отключения цилиндров двигателя.

Чптвертпя глава посвящена определению влияния различных факторов на величину механических потерь в двигателе. При анализе распределения чисто моханических потерь установлено, что основная доля потерь приходится на K1LM i! ВДГ ДВС. Именно с этих элементов ДВС необходимо начинать поиск повышенных механических потерь. Для эффективного их поиска необходимо провоста анализ влияния различных Факторов на величину механических потерь в этих элементах. Исследования проводились постановкой численных экспериментов на одноцилиндровой установке типоразмера двигателя М-412.

При работе двигателя мощность потерь на трение в 1ШГ и К1Ш-Л

ДВС во.многом зависит от давления газа в цилиндре, поскольку от

давления газа зависит сила прижатия поршневых колец и юбки поршня о

к стенке цилиндра, а также силы на подшипники поршневого пальца, коронных и шатунных подлинников. Зависимость механических потерь в ЦПГ и КИМ от нагрузки двигателя при постоянной члетоте вращения п=5000 об/мил нз режиме ВСХ показана на рис.5, на котором Ищд, -потери в ЦПГ, 11 ,, - потери d МГ.Ч. Из rpaí-uta видно, что с увеличением средниппдиктгорного давления цикла увеличиваются мохмшчоасИи потери в ЦПГ за цикл. Ото объясняется том, что с ростом среднеиндикаторного давления возрастает максимальное, а следовательно, и среднее давление газов при рабочем процессе, что, в свою очередь, щпшит к угслпчен:ш сил; прижатия

поршнешх компрзеепглшых колец к стенке цилиндра и увеличению

>

нормально;1. силы по e?cnoi>;; иски ¡к.: ¡;:\.j\;r.p, :: по здяивазт

уполпчопие потерь у ; :;¿ívrn ::: ipr Г/ г. iijpjHCF.h'x tîcj".ыт -м

Влияние нагрузка на механические Влияние массы поршня на механические

- Р1, 1Я1а и, кг

Рис. 5. Рис. 6.

поршня. При увеличении давления газов увеличиваются такта потери на трение в 1Ш, т.к. увеличиваются нагрузки на подлинники-корешшх и шатушшх шеек.

Немаловажное значение имеет изучение влияния на величину механических потерь инерционных нагрузок, так как они впрямуп зависят от массовых характеристик ЦПГ и КШ двигателя. Записи,юсть механических потерь от массы поршневого комплекта показана на рис.6. расчет проводился при частоте вращения коленчатого вала п=Б000 об/тт с массой катуна - 0,862 кг, массой кривошипа - 1,711 кг и суммарной массой противовесов - 1,025 кг. С увеличением массы поршневого комплекта механические потери- на трение в ЦПГ и 1ШГЛ увеличиваются, причем потери в 1ЩГ увеличиваются незначительно по сравнению с потеряли на трение в 1С!Ш. Это связано с тем, что потери на трение в ЦПГ зависят от пкдн сокового дг аяония ь>1ки поршня на стенку глкьзи цилиндра, -

которая с ростом силы инерции возпратногпоступательно движущихся частей возрастает незначительно. Сила вдоль шатуна, а следовательно, и силы на шатунные и коренные шейки коленчатого вола двигателя возрастают с такой же интенсивностью и даже большой, с какой происходит рост инерционной силы от увеличения массы поршневого комплекта. Именно этим объясняется прогрессивный рост механических потерь в КШМ.

Более .слокная зависимость механических потерь в КШМ от массы противовесов показана на рис.7,* расчет которой проводился при частоте вращения колончатого вала п=5000 оО/мют и с массой поршневого комплекта 0,504 кг. Кривая механических потерь в КШ имеет ярко выракошшй минимум, этим минимумом является оптимальная масса противовесов, центробежная сила инорции которых компонсируот силу инерции возвратно-поступательно движущихся частой поршневого комплекта с шатуном и силу давления газов в

Влияние массы противовесов на ■ Влияшэ часто™ В^9НИЯ ВШ1а на н< механические потери в КШМ ^ потери в ШГ и КШМ двигателя

! кВт

Л'илг

^гтг. ......... Л'кшм

0,2 1,0 1,7 2,5 3,2 4.0 ЮОО 2600 3400 4200 5000 5800

и. кг об/шш

Рис. 7. РИС. 8.

цилиндре при действии на коренные шейки коленчатого вала. При отклонении от оптимальной массы противовесов в большую или меньшую сторону потери начинают монотонно возрастать, т.к. начинает увеличиваться абсолютное значешт розультирумцей силы на коренные подшипники. Необходимо заметить, что изменение массы противовесов шшак не влияет на потер:! в ЦПГ, что объясняется постоянством действующих сил в ЦПГ двигателя.

При изменении частота вращения вала двигателя изменяются и величшш механических потерь в ЦПГ. и КШМ. Зависимость этих изменений показана на рис.8. С увеличением частота вращения вала двигателя увеличиваются скорости относительного скольжения сопрягающихся поверхностей в узлах трения ЦПГ и КШМ, в связи с чем возрастают потери на трение как в ЦПГ, так и в ЮИ. Анализируя графики зависимостей моию сделать вывод, что потери возрастают пропорционально квадрату частоты вращения.

Влияние вязкости смазки на величину механических потерь в ЦПГ и КИМ показано на рис.9. Эти зависимости полностью соответствуют диаграмме Герси и объясняются изменоием режимов тре;шя и, соответственно, коэффициентов трения в ЦПГ и подпипниках скольжения К1Ы-1 от комплексной характеристики ^У/Р, в которой 1' - кинематическая вязкость смазки, мм*/с (сСт); V -скорость относительного скольжения двух поверхностей пары трения, м/с; Р - нагрузка в паре трения, Н. Менее интенсивное возрастание потерь на трение в ЦПГ по сравнению с возрастанием потерь в ММ объясняется тем, что за один цикл пары трения ЦПГ проходят эти режимы трения несколько раз, т.к. скорость перемещения пораня непостояша, что снижает интенсивность роста потерь в ЦПГ.

Влияние шероховатости 'рабочих поверхностей кинематических пар ¡¡а величину механических потерь в ЦПГ и КШМ показано на рис.10. На этом рисунке д - безразмерный комплекс, ■■■ арпктеризугдкй кероховятость поверхности, который имеет

Влияние вязкости смазки на Влияний шероховатости поверхности механические потери в КЕМ и ЦПГ на механические потери в КШМ и ЦЕП'

Рис. 9. Рис. 10.

следущий вид:

ггтах .

л = тти , (10)

о г-Ь

где Ртах - наибольшая высота неровностей профиля, мкм: г - радиус

микронаровностей, мкм; Ь и к - параметры опорной кривой,

полученные аппроксимацией кривой опорной поверхности по

профилограмме. При увеличении шероховатости поверхностей

кинематических пар потери на трение долкны возрастать, т.к.

увеличивается высота неровностей профиля и высота выступов, что

начинает приводить от зацепления отдельных выступов к

множественному зацеплению, кроме режима ищкостной смазки. Этил

объясняется характер возрастания потерь в ЦПГ. Несколько иной вид

имеет кривая изменения потерь в подлинниках скольжения КШМ. В

подшипниках скольжения при решаю кидкостной смазки потери мало

зависят от шероховатости поверхности, т.к. поверхности разделены

слоем смазочного материала и потери в основном определяется

вязкостным трешюм. Поэтому кривая потерь мошносш на тренно в КШМ в общем случае должна била идти параллельно оси абсцисс. Но она несколько подшибается к началу графика. Поскольку 1ШГ и КИМ являются единой взаимосвязанной системой, то счш оказывают некоторое влияние друг на друга. В данном случао потери на трение в ЦГЕГ оказывают влияние на потери в КШМ, т.к. при уг.оличении потерь в ЦПГ сила трения частично компенсирует силу давления газов в. цилиндре, и, в итого, общая сил-!, действушая на 1И.М. уменьшается, что и приводит к уменьшению потерь в К!£,!.

СГСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВШ0.Ш

1. Разработана новая технология определения механических потерь в ДВС, заключающаяся в том, что двигатель рассматривается как слозшая трибологичоская система, аналитически описанная и представленная в виде пакета модулей. Ото позволяет псетмиить математические численные эксперименты по оптимизации конструкции ДВС в поэлементном расчете потерь и значительно повысить достоверность определения последах как на стадии проектирования, так и при доводке ДВС. Ошибка в определении механического КПД но превышает 5!Г, что подтверждается проверкой на большом количестве разнообразных двигателей.

2. Имитационные ■ модели, разработанные автором позволят1 определять механические потери в корг::юш1х ДЗС любоД кинематической схемы.

3. Все исследованные двигатели существенно отличаются по закономерностям протекания как классических характеристик, так и изменением механических потерь в тррдася парах и найти простую зависимость механических потере от режимов работы но удалось. Всвлзи с этим при анализе механических потерь в двигатело целесообразно использовать разработанную технологи».

4. я работе технология определения механических

потерь позволяет с высокой степенью достоверности подбирать конструктивнее характеристики трущихся пар, делать выбор вспомогательных агрегатов и определять эффективные показатели двигателя, что снижает затраты на доводку двигателя.

Ь. Установлено, что стандартные методы определения' механических потерь в ЛВС могут вносить существенные погрешности в определении механического КПД двигателя:

- метод холодной прокрутки - до 100 Ж;

- метод отключения цилиндров - до 40 %.

G. В результате численных и натурных экспериментов установлено:

- для кахдого двигателя существует минимум механических потерь в зависимости от массы деталей ЦПГ и КШМ;

- существенную роль играет подбор и согласование по массе с деталями -Щ1Г и КШМ противовесов, величину которых можно определить с помощью разработанной технологии;

- возрасташю механических .потерь на трэние в ЦПГ в законности, от нагрузки двигателя идет по линейному закону с коэффициентом пропорциональности 0,08 - 0,12;

- подтверждается, что с увеличением частоты вращения потери в ЦПГ возрастают по закону, близкому к квадратичному.

Основное содержание' диссертации отражено в следующих работах:

1. Моделирование пуска двигателей внутреннего сгорания в среде программного комплекса "Альбея". Р.А.Галиев, В.Г.Горбачев, С.А.Загайко, Н.В.Рудая, Б.П.Рудой, С.Б.Щербаков. Тезисы доклада на втором всесоюзном научно-практическом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС". Владимир, 1991, с.9.

2. Интерактивная система автоматизированного моделирования . двигателей внутреннего сгорание "Альбея". В.Г.Горбачев,

С.А.Загайко, Н.В.Рудая, Б.П.Рудой, С.Б.Щербаков. Тезиси доклада на конференцию "Автоматизация технологического проектирования". Пенза, 1991, с.6.

3. Система автоматизированного моделирования гаэовоздуцяшх трактов двигателей внутреннего сгорания. Руководство пользователя. Сост. В.Г.Горбачев, С.А.Загайко, Б.П.Рудой, Н.В.Рудая, С.Б.Щербаков. Уфа, 1991, с.130.

4. Отчет о научно-исследовательской работе Уфимского авиационного института Заволжскому моторному заводу. В.Г.Горбачев, С.А.Загайко, Б.П.Рудой.. - Уфа, 1909. - 128 с.

5. Отчет о научно-исследовательской работе. Уфимского авиационного института Заволкскому моторному заводу. В.Г.Горбачев, С.А.Загайко, Б.П.Рудой, Н.В.Рудая, Р.Д.Елисеев. -Уфа, 1990. - 116 с.