Ещё один сайт об автомобилях

Исследование потери трения в двигателе внутреннего сгорания

Поршень является наиболее механически и термически нагруженным компонентом двигателя. Энергия, необходимая для преодоления механических потерь в двигателе внутреннего сгорания, составляет около 10% энергии, подаваемой в двигатель в топливе. Кольцевые поршневые кольца главного узла наиболее ответственны за образование механических потерь.

Целесообразно уменьшить потери на трение в группе поршневых цилиндров, привести к увеличению общей эффективности двигателя и, таким образом, снизить расход топлива. Путем достижения этих целей является изменение микрогеометрии поверхности, несущей поршень, которая взаимодействует со стенкой цилиндра. Геометрия зазора между юбкой поршня и гильзе цилиндра значительно влияет на потери на трение внутри двигателя внутреннего сгорания. Способ уменьшить площадь, покрытую масляной пленкой, — это применение ступенчатого профиля юбки поршня. Пошаговый профиль можно получить, покрывая цилиндрическую или коническую поршневую поверхность тонкослойным графитом. Покрытие поверхности подшипника поршня тонким слоем графита может иметь чрезвычайно выгодные трибологические свойства поршневого узла, что означает ожидаемые параметры масляной пленки и потери при уменьшении трения. В этой статье представлены результаты исследования экспериментальных поршней на потери на трение в двигателе внутреннего сгорания.

Одним из основных направлений интенсивной разработки двигателей является снижение расхода топлива, что напрямую связано с сокращением выбросов двуокиси углерода. Двуокись углерода определяется как основная причина так называемого парникового эффекта. Самый популярный подход к снижению потребления топлива — это тенденция, называемая сокращением, которая сочетает в себе множество технических решений, таких как прямое впрыскивание бензина и нагнетание [5]. Можно объяснить, что сокращение состоит в уменьшении смещения двигателя с поддержанием мощности более крупного двигателя. В результате двигатель в средних условиях движения работает с более высоким средним эффективным давлением. Что более важно с более высокой эффективностью, что приводит к сокращению потребления топлива. Более высокий уровень эффективного среднего давления вызывает увеличение механической нагрузки на элементы двигателя, особенно элементы кривошипного механизма.

Основная кинематическая пара кривошипного механизма образована поршнем и гильзами цилиндров. В аспекте сцепления с цилиндром наиболее значительна несущая поверхность поршня. Эта пара трения необходима для суммарной потери трения двигателя внутреннего сгорания. Было проведено много исследований в области трения поверхности поршня [6, 7, 13].

Основная функция поверхности подшипника поршня должна нести нормальное усилие к поверхности гильзы цилиндра. Нормальная сила имеет важное значение для трения и износа поршней и гильз цилиндров, а его высокое значение в основном обусловлено высоким давлением внутри камеры сгорания с наддувом двигателя.

Из-за изменений направления вектора нормального значения силы, которые повторяются во время цикла двигателя, поршень движется сбоку в цилиндре в перпендикулярном направлении к оси цилиндра [13]. Вследствие бокового перемещения поршень попадает на гильзу цилиндра, особенно когда он перемещается со стороны противоточного давления на сторону давления цилиндра в начале хода мощности. Эти удары вызывают измеримую упругую деформацию поршня и гильзы цилиндра [3, 5], которые увеличивают нагрузку на несущую поверхность поршня и являются одним из основных источников шума двигателя [13].

Производители двигателей часто решают применять специальный слой на поверхности, несущем поршень, а для двигателей с наддувом применяются практически для всех современных конструкций. Слои, которые обычно содержат графит, растворенный в полиамид-имидном отставке (PAI), создаются сериграфией и затвердевают при высокой температуре. Grafal 255 является примером обычно используемого слоя, который содержит около 35% графита без каких-либо антифрикционных добавок. Новые разработанные типы слоев включают дисульфид молибдена (тип Evo Glide) и другие химические соединения, которые изменяют трение.

Влияние типа поверхностного слоя несущих поршней на износ износа сцепных элементов и потери на трение является предметом интенсивных исследований [1, 2, 4]. Результаты недвусмысленно подтверждают положительную роль обычно используемых слоев в поршневом захвате и уменьшении износа цилиндров при регулярных условиях эксплуатации двигателя. В результате трибологических исследований, которые проводились вне двигателя, была отмечена возможность значительного уменьшения трения путем покрытия алюминиевого сплава упомянутыми слоями. В реальных условиях работы двигателя общие потери на трение зависят в первую очередь от условий трения флюида, поэтому применение дополнительных слоев не приводит к снижению потерь на трение.

Микрогеометрии зазора между опорной поверхностью поршня и цилиндра имеет существенное влияние на потери на трение в двигателе внутреннего сгорания. Оказывается, что потери на трение больше зависят от площади, покрытой масляной пленкой, чем толщина масляной пленки, которая разделяет две взаимодействующие поверхности. Несколько способов уменьшить зону покрытия масляной пленки включают чаще всего ствол форму поверхности поршневого подшипника, но он может быть также достигнут путем ступенчатой ​​формы опорной поверхности поршня [8-10].
Ступенчатая микрогеометрия может быть получена применением графитовых слоев H-образной формы на несущей поверхности поршня. Это даст ступенчатый профиль, который характеризуется выгодными трибологическими свойствами условий трения флюида цилиндро-поршневой кинематической пары, а использование графита может ожидать выгодные свойства в терминах граничного трения [9, 11, 12].
В статье представлены результаты исследований экспериментальных поршней с ступенчатой ​​микрогеометрической несущей поверхностью потерь на трение в двигателе внутреннего сгорания.

Резюме

Были проведены исследования экспериментальной стендовой модели моторных поршней со ступенчатой ​​несущей поверхностью, чтобы оценить величину потерь на трение в механизме поршневого кривошипа и сделать следующие выводы:
— наибольшие преимущества использования ступенчатой ​​микрогеометрической поверхности подшипника поршня наблюдались при максимальной температуре масла (110 ° C); Правильно пониженные выгоды наблюдались, когда температура масла составляла 80 ° C, а самая низкая была при температуре 50 ° C,
— было показано, что наибольшие сокращения потерь на трение наблюдались для вариантов поршней с буквой H стержня, сдвинутой вниз относительно положения, симметричного около 16% (H4) и 25% (H1), поскольку эти варианты расширили масляную область, он обеспечивает создание сплошной масляной пленки, разделяющей взаимодействующие поверхности,
— во всех сериях измерений с закрытыми клапанами ограничения нагрузки потери на трение были уменьшены за счет использования ступенчатой ​​микрогеометрии поверхности подшипника, независимо от частоты вращения двигателя,
— температура охлаждающей жидкости регулирует температуру двигателя и масла, что влияет на потери на трение,
— ступенчатую поверхность может быть достигнуто за счет покрытия опорной поверхности поршня с использованием сухих смазок, таких как графит т.е.,
— слой сухих смазочных материалов особенно желателен из-за отсутствия непрерывности условий масляной пленки.

Список литературы

[1] Baberg, A., Freidhager, M., Mergel, H., Schmidt, K., Aspekte der Kolbenmaterialwahl bei Dieselmotoren, MTZ, 12, 2012.

[2] Blümm, M., Baberg, A., Dörnenburg, F., Leitzmann, D., Innovative Schaftbeschichtungen für Otto- und Dieselmotorkolben, MTZ, 02, 2016.

[3] Deuss, T., Ehnis, H., Freier, R., Künzel, R, Friction power measurements of a fired diesel engine – influence of skirt geometry, MTZ 12, 2013.

[4] Deuss, T., Ehnis, H., Rose, R. K., Künzel, R., Reibleistungsmessungen am Befeuerten Dieselmotor –Einfluss von Kolbenschaftbeschichtungen, MTZ 4, 2011.

[5] Golloch R., Downsizing bei Verbrennungsmotoren – Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 2005.

[6] Golloch, R., Untersuchungen zur Tribologie eines Dieselmotors im Bereich Kolbenring/ Zylinderlaufbuchse, VDI Verlag GmbH, Reihe 12, Nr. 473, Düsseldorf 2001.

[7] Knoll, G., Kolben-Zylinder Dynamik 1+2, FVV Vorhaben Nr. 528, Frankfurt am Main, 1996.

[8] Iskra, A., Babiak, M., Wróblewski, E., The problems of piston skirt microgeometry in combustion engines, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, Vol. 148, 2016.

[9] Iskra, A., Krzymień, P., Wróblewski, E., Geometry of the improved layer over a piston skirt, Combustion Engines, Vol. 162 (3), pp. 192-196, PTNSS Bielsko-Biała 2015.

[10] Iskra, A., Wróblewski, E., Babiak, M., Geometric shape of the support surface of the piston, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 22 No. 4, pp. 95-101, 2015.

[11] Iskra, A., Babiak, M., Wróblewski, E., Wpływ schodkowego profilu powierzchni nośnej tłoka na straty tarcia silnika spalinowego, Technika Transportu Szynowego 12/2015, pp. 644-647, Instytut Naukowo-Wydawniczy TTS Sp. z o.o., Radom 2015.

[12] Wróblewski, E., Iskra, A., Babiak, M., The impact of microgeometry bearing surface of the piston on the parameters of oil, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 23, No. 2, pp. 431-436, 2016.

[13]  Zima, S., Kurbeltriebe, Vieweg Verlag, Braunschweig-Wiesbaden 1999.


INVESTIGATION OF FRICTION LOSS
IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF EXPERIMENTAL
MICROGEOMETRY PISTON BEARING SURFACE

Journal of KONES Powertrain and Transport

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *