Шляхи зниження втрат на тертя в кривошипно-шатунному механізмі поршневих ДВЗ Стаття в журналі
Рубрика: Технічні науки
Бібліографічний опис:
Ключові слова: кривошипно-шатунний механізм, двигун внутрішнього згоряння, коефіцієнт корисної дії, зниження втрат на тертя.
Ефективні показники двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) залежать від досконалості процесу згоряння та величини механічних втрат, а отже й механічного коефіцієнта корисної дії (к.п.д.). Ефективна робота, що знімається з колінчастого валу двигуна завжди менше індикаторної роботи, що здійснюється газами в циліндрі, отриманої при згорянні палива. Різниця індикаторної та ефективної роботи обумовлюється тим, що механізми та деталі двигуна так само споживають енергію, і цю різницю прийнято називати роботою механічних втрат.
Механічні втрати розглядаються в теорії ДВС як частина індикаторної потужності, витрачена на подолання всіх зовнішніх та внутрішніх типів опору у поєднаннях деталей та механізмів, руху газів та рідин. Незважаючи на великий прогрес у двигунобудуванні, досягнутий в останні 10–15 років, к.п.д двигуна в середньому не перевищує значення 0.75 на номінальному режимі роботи. Іншими словами, чверть палива, що спалюється нами, втрачається безповоротно. Від 40 до 60% загальних механічних втрат припадає на циліндропоршневу групу (ЦПГ) двигуна.
Враховуючи, що двигуни внутрішнього згоряння є серцем автотранспорту, що налічує мільярди екземплярів, необхідно знайти ефективні способи знизити втрати, що витрачаються на тертя, що серйозно збільшить ефективність палива, яке в свою чергу є переважно продуктом переробки нафти,непоправного природного ресурсу. Наявні способи отримання синтетичного палива не задовольняють попит, що постійно зростає, до того ж є обмеження і вимоги з виробництва.
Поширені методи зниження втрат такі як антифрикційні присадки до моторних масел, профіль деталей, обробка і покриття поверхонь — поступово досягають своїх меж і не в змозі значно скоротити розрив між індикаторною та ефективною потужностями.
Так, у цій статті розглядаються можливості нестандартних конструкцій двигунів та пропонується метод удосконалення двигуна шляхом додавання другого колін-валу.
Загальні механічні втрати ДВС складаються з таких складових:
- Втрат на тертя в кривошипно-шатунному механізмі (КШМ);
- Втрат на газообмін (насосні ходи);
- Втрат на привід допоміжних механізмів.
Чинники, що впливають на величину окремих складових втрат:
– матеріали та технологія
– режими роботи двигуна та ін.
Так на тертя основний вплив мають навантажувальний, швидкісний, температурний режими та характер мастила. На насосні втрати впливають навантажувальний і швидкісний режим, втрати на привід допоміжних механізмів залежать, переважно від швидкісного режиму. Найбільший інтерес становлять втрати на тертя у КШМ.
Це зумовлено тим, що на деталі КШМ діють максимальні газові сили, сили інерції та максимальні температури (циліндр, поршень, кільця поршневі), швидкісний режим двигуна. Крім того в пару циліндр, поршень, поршневі кільця важко забезпечити подачу мастила.
Все це призводить до того, що питома вага втрат на тертя (із загальних механічних втрат) найбільша (близько 70 %). Отже, за рахунокзниження втрат на тертя можна суттєво знизити загальні втрати та покращити механічний та ефективний к. п.д. [1].
На деталі КШМ діють сили тиску газів та сили інерції від поступово рухомих мас (поршень з поршневим пальцем, кільцями та частини шатуна). Ця сумарна сила, що діє на поршневий палець розкладається на дві складові: одна діє на тіло (стрижень) шатуна (Рш), а друга перпендикулярно стінці циліндра N (нормальна сила) і притискає поршень до стінки циліндра (рисунок 1).
Мал. 1. Схема дії сил із класичною системою кривошипно-шатунного механізму
У поршневих ДВС з класичним КШМ, з кожним ходом поршень притискається до однієї стінки циліндра, то інший (перекладка поршня). Характер і рівень впливу нормальної сили (N) на тертя (на величину втрат) у поєднанні «циліндр — поршень — поршневі кільця» мало вивчений. Це зумовлено тим, що важко окремо виділити їхню частку із загальних втрат на тертя в КШМ, особливо на працюючому двигуні.
Наявність нормальної сили (N) у поршневих ДВС з класичною схемою КШМ (один кривошип на один поршень) зумовлено кінематикою та динамікою даного механізму. Дія нормальної сили з класичною системою КШМ при повороті колінчастого валу на 720 показано на малюнку 2.
Мал. 2. Дія нормальної сили з класичною системою кривошипно-шатунного механізму
де нормальна сила, кН;
кут, град.
Спроби знизити вплив нормальної сили на тертя врівноваженням вирішують це завдання частково.
На наш погляд, найефективнішим розв'язанням цієї проблеми є застосування схеми КШМ із двома кривошипами на один поршень (двухвалий двигун) рис. 3.
Мал. 3. Схема дії сил із двовальною системоюкривошипно-шатунного механізму
При такій схемі Nпр Nлев (нормальні сили від правого і лівого кривошипів будуть рівні за величиною, при рівних масах частин, що поступаються) і направлені в протилежні сторони. Поршень переміщатиметься, не притискаючись до стінки циліндра, буде виключена перекладка поршня в мертвих точках. Дія нормальної сили у двовальному двигуні показано малюнку 4.
Мал. 4. Дія нормальної сили з двовальною системою кривошипно-шатунного механізму
У зв'язку з цим можна вкоротити поршень (відпадає необхідність у напрямній частині). Особливо це важливо для дизельних двигунів, у яких маса поршня значна через високі силові навантаження.
Ефективність роботи двовального двигуна підтверджено розробкою двох німецьких автолюбителів [3]. За їхніми спостереженнями, двовальний двигун зможе спокійно працювати на швидкісних режимах понад 10 000 об/хв.
З урахуванням викладеного можна зробити такі висновки:
- Двохвильовий ДВС виключає притискання поршня до стінки циліндрів і перекладання його в мертвих точках. Поршень переміщається в циліндрі, не торкаючись стінок;
- За рахунок зниження сили тертя, збільшується механічний та ефективний ККД та покращується паливна економічність двигуна;
- Двохвильовий поршневий ДВС забезпечує спокійну роботу двигуна на швидкісних режимах від 10 до 15 тис. об/хв.
- Рікардо Г. Р. Швидкохідні двигуни внутрішнього згоряння. - М.: Машгіз, 1960. - 411 с.
- Качканьян Р. А. Автореферат на тему: «Дослідження механічних втрат у тракторних двигунах із газотурбінним наддувом». - Челябінськ, 1970.
- Фомін В. Н., Кокорєв І. А. Дослідження тертя легкого двигуна». Тр. НАТІ.- 1931.- Вип. 15.
- Такігуті М., Матіда К., Фурухама С. Сила тертя поршня об стінку циліндра високооборотного карбюраторного двигуна внутрішнього згоряння// Проблеми тертя та змащення.-1988. - № 4.