Меню
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Автомобильные двигатели

Факторы, влияющие на механические потери

Из уравнений (223) и (219) видно, что эффективные показатели двигателя тем лучше, чем выше теплоиспользование и меньше механические потери. При уменьшении механических потерь значительно повышаются эксплуатационные показатели. При прочих равных условиях работы двигателя при разных нагрузках и скоростных режимах в случае снижения механических потерь уменьшается коли чество

теплоты, отдаваемой охлаждающей среде, и снижается тепловая напряженность трущихся деталей двигателя. При меньших потерях на трение понижаются затраты мощности, расходуемой на привод масляного насоса и вентилятора и уменьшаются габаритные размеры и массы вентилятора и радиатора. Чем меньше потери на трение, тем меньше износ основных трущихся пар, больше срок службы и меньше число неисправностей двигателей в эксплуатации.

Несмотря на значительный прогресс автомобильного и тракторного двигателестроения, величина tjm относительно невелика, на номинальном режиме обычно не выше 0,750,8. При снижении нагрузки значение нм уменьшается.

Величина потерь на трение ртр определяется суммой составляющих, связанных с относительным перемещением поршней и поршневых колец в цилиндрах, поршневых пальцев во втулках, коленчатых и распределительных валов в подшипниках, толкателей и клапанов в направляющих, кулачков с толкателями, а также незначительными вентиляционными потерями, возникающими при вращении коленчатого вала и маховика и их трении о воздух.

Установлено, что величина ртр зависит от условий образования масляной пленки, когда нет прямого контакта металлических поверхностей пар (жидкостное трение,) а также от условий, при которых наряду с жидкостным трением имеется частично граничное трение (контакт металлических поверхностей). Процессы, где имеются элементы граничного трения, могут возникнуть в сопряжениях поршневых колец с поверхностями цилиндров, поршней с цилиндрами и поршневыми кольцами.

Составляющие потерь на трение, обусловленные жидкостным трением, относительно мало зависят от нагрузки на элементы механизма. Среднее давление тр, соответствующее этим составляющим, практически линейно зависит от скоростного режима двигателя, характеризуемого средней скоростью поршня сц.

В отличие от этого составляющие, обусловленные граничным трением, существенно зависят от действия газов и в меньшей мере от инерционных. Эти составляющие также линейно зависят от скорости поршня.

Работа, затрачиваемая на привод вспомогательных механизмов, зависит от частоты вращения коленчатого вала.

Сочетание отмеченных факторов позволяет при предварительных расчетах механических потерь пользоваться формулой

(224)

коэффициенты, приведенные в табл. 17 для определения рм (в МПа).

На рис. шо приведены зависимости рм от сп для автомобильных двигателей. Данные получены при вращении двигателя от постороннего источника энергии (электродвигателя). Температуры масла в картере и воды в системе охлаждения соответствовали тем, которые устанавливаются во время работы двигателя под нагрузкой.

В табл. 18 приведены составляющие механических потерь (по данным Рикардо).

Из табл. 18 видно, что наибольшие потери вызываются трением между поршнем с кольцами и зеркалом цилиндра.

По данным НАМИ, наибольшие затраты работы на трение в дизеле для грузового автомобиля возникают в сопряжениях поршней (с поршневыми кольцами) с цилиндрами и на газообмен (до 73% от общих затрат). По этим же данным, затраты на трение в коренных подшипниках коленчатого вала существенно меньше (до 10 %). Затраты на привод агрегатов (без учета затрат на вентилятор) составляют 7%. Вентиляционные потери незначительны. В общем балансе потери на перетекание газа из надпоршневого пространства в картер при хорошем состоянии деталей цилиндро-поршневой группы и надежном уплотнении составляют в дизеле до 1,5%.

Потери на трение. Трение в парах с граничной смазкой может интенсивно возрастать при повышении нагрузок, которые определяются давлением газа и силами инерции. Действие последних на детали цилиндро-поршневой группы проявляется вдали от мертвых точек, когда подъемная сила масляного клина относительно велика. Это приводит к малой зависимости затрат на трение от действия сил инерции.

В результате проникновения газа в пространстве между кольцами и канавками поршня возникает давление так называемое заколечное, действующее на поршневые кольца. На рис. 107 показана зависимость этого давления от угла поворота кривошипа, полученная

Р,МПа

в опытах НАМИ. Из графиков видно, что давление в канавке верхнего поршневого кольца рг максимально вблизи в. м. т. Оно изменяется в течение рабочего цикла и достигает величины, равной примерно 0,75 рц. Значительно ниже максимальное давление р2, действующее на стенки цилиндра у второго поршневого кольца, а еще ниже у третьего кольца. Суммарно на стенки цилиндров действуют создаваемые поршневыми кольцами давление от сил их упругости и давление, возникающее от проникновения газа между канавками и кольцами. Это давление действует на протяжении всего рабочего

цикла, достигая высоких значений в зонах в. м. т., где подъемная сила масляного слоя в сопряжениях поршень кольцо гильза цилиндра минимальна. В этих зонах в наибольшей мере проявляются сухие (контактные) составляющие граничного трения, вызывающие износ гильзы цилиндра.

Ниже рассмотрены возможные пути снижения потерь на трение.

Уменьшение площади контактных поверхностей. Для снижения потерь уменьшают поверхности юбок поршней и число поршневых колец. В современных конструкциях двигателей, как правило, устанавливают два и иногда одно компрессионное кольцо на каждый поршень. Ликвидация одного кольца на каждом поршне позволяет снизить ртр в среднем на 0,012 МПа.

Совершенствование формы и качества обработки контактных поверхностей. Совершенствование формы и качества обработки поверхностей поршневых колец и поршня снижает потери на трение.

Объясняется это тем, что при отклонении цилиндра от формы тела вращения давление, действующее на его контактные поверхности, становится неравномерным. В зонах повышенного давления может возрастать трение, увеличиваться износ, возможны задиры поршня о стенки цилиндра вследствие чрезмерного интенсивного выделения теплоты.

При изготовлении деталей необходимо по возможности устранить возникающие остаточные напряжения. В последние годы большое внимание уделяется приданию поршням формы, позволяющей обеспечить хороший их контакт с цилиндрами в нагретом состоянии.

Рельеф шероховатостей контактных поверхностей должен быть оптимальным. При чрезмерной шероховатости могут недопустимо увеличиваться контактные давления, возрастать удельное выделение теплоты, приводящее к задирам и износу поршня, колец и цилиндра.

Большое влияние на трение и износ оказывают размеры и формы системы каналов (пор) в хромовом покрытии компрессионных колец, а также качество приработочного покрытия, наносимого на слое хрома.

через определенные промежутки времени т. Из графика на рис. 108 видно, что в начальный период обкатки интенсивно сглаживаются неровности трущихся поверхностей.

Современные технологические методы позволяют свести к минимуму продолжительность процесса приработки деталей двигателей. Тем не менее для обеспечения высокого ресурса двигателя и снижения механических потерь целесообразно не только проведение кратковременной заводской обкатки двигателей, но и ограничение нагрузок и скорости движения в начальном периоде эксплуатации автомобилей. В этот период ограничивают максимальную мощность двигателя и частоту вращения коленчатого вала путем установки специальной ограничительной шайбы между карбюратором и впускным трубопроводом.

Улучшение качества применяемых масел. Механические потери двигателей зависят от вязкости моторного масла, прокачиваемого через сопряжения механизмов. Вязкость масла в реальных условиях работы определяется его вязкостно-температурной характеристикой и температурой поверхностей деталей двигателя.

При пуске двигателя в условиях низких температур вязкость масла в сопряжениях велика, величина ртр имеет наибольшее значение и прокачка масла через подшипники затруднена. Помимо резкого увеличения нагрузки на стартер это может привести к перегрузке поверхностей подшипников двигателя. Поэтому для эксплуатации двигателей в районах с холодным климатом рекомендуется применять масла, с пологими вязкостно-температурными характеристиками из так называемых загущенных сортов, а также прогревать двигатели перед пуском.

Температура масла сильно влияет на потери на тренне. Из рис. 109 видно, что имеется диапазон температур, где потери на трение наименьшие, обычно он составляет 8090° С. Для ограничения температуры масла при работе двигателя используют масляные теплообменники.

Помимо вязкости масла в условиях граничного трения имеют значение прочность адсорбции масляной пленки, противоизиосные качества масел, для повышения которых вводят специальные присадки.

Оптимизация теплового состояния двигателя. Тепловое состояние поверхностей деталей определяется нагрузкой, скоростным режимом двигателя и интенсивностью его охлаждения. В двигателях с жидкостным охлаждением при повышении температуры теплоносителя в системе охлаждения увеличивается также и температура масла. При эксплуатации следует температуру жидкости поддерживать

в пределах, обеспечивающих такую температуру масла, при которой потери на трение минимальны.

В двигателях с воздушным охлаждением интенсивность охлаждения определяется количеством воздуха, проходящего через систему охлаждения двигателя. Размеры вентилятора, подающего воздух на охлаждение, выбирают исходя из условий получения наибольшей допускаемой температуры поршня, головки и цилиндра двигателя.

Увеличение нагрузки. При увеличении нагрузки температура масляного слоя повышается, что до известного предела снижает потери на трение (рис. 109). С ростом нагрузки повышается максимальное давление pz, что приводит к некоторому увеличению этих потерь.

При снижении нагрузки в карбюраторном двигателе мощность, затрачиваемая на газообмен, вследствие дросселирования увеличивается, но это не компенсируется уменьшением потерь на трение из-за меньшего максимального давления цикла, в результате чего при снижении нагрузки тр возрастает. В дизелях потери на трение с изменением нагрузки почти не меняются.

Потери на газообмен. В быстроходных двигателях автомобильного типа доля потерь на газообмен может составлять до 20% величины суммарных потерь. Поэтому актуальным являются работы по уменьшению потерь на газообмен путем снижения аэродинамических сопротивлений при впуске и выпуске (см. гл. IV).

Реклама