Трение и мощность двигателя
В качестве одного из главных аргументов эффективности таких способов обычно ссылаются на экспериментальные данные по уменьшению коэффициента трения в модельных фрикционных парах. Насколько же реально могут быть улучшены рабочие параметры двигателя за счет снижения трения в рабочих узлах?
Вопрос о влиянии трения на процессы, которые происходят при работе двигателя, - один из самых сложных и интересных вопросов в теории двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Конструкторы двигателей и специалисты по рабочим процессам в ДВС совершенно справедливо утверждают, что при анализе работы ДВС нельзя оперировать такой характеристикой, как коэффициент трения. Ведь в ДВС десятки различных пар трения, состоят они из разных материалов, поэтому и коэффициент трения в них разный. Кроме того, коэффициент трения не может быть характеристикой даже одного фрикционного узла, поскольку зависит в широких пределах от условий процесса – нагрузки, скорости, температуры. Поэтому говорить можно не о коэффициенте трения, а лишь о мощности механических потерь двигателя.
Под мощностью механических потерь двигателя понимается мощность, необходимая для преодоления всех сил трения и привода всех агрегатов двигателя в заданном скоростном и нагрузочном режиме. Мощность механических потерь равна разности между механической мощностью, полученной поршнями при сгорании топлива в цилиндре (индикаторная мощность), и мощностью, снимаемой с коленвала двигателя (эффективная мощность).
На мощность механических потерь влияет частота вращения коленчатого вала - чем выше обороты, тем больше потери на трение. При работе в номинальном режиме на преодоление трения расходуется 20-30% механической мощности автомобильных двигателей.
Рис.16 Распределение потерь механической мощности в двигателе:
1- потери на трение в цилиндропоршневой группе,
2- потери на трение в подшипниках коленчатого вала
3-потери на сжатие смеси и преодоление сопротивления газов и клапанных пружин на тактах газообмена
4- потери на привод вспомогательных агрегатов
Структура потерь механической мощности в двигателе представлена на рис.16. Основными составляющими механических потерь двигателя являются потери на трение в цилиндропоршневой группе — трение поршневых колец и нижней части поршня об поверхность цилиндра. В зависимости от режима работы и конструкции двигателя эти потери равны 40-75% от всех потерь на трение. Второй по величине составляющей механических потерь является трение в подшипниках коленчатого вала - 10-15%. Затраты мощности на сжатие смеси и на привод механизма газораспределения двигателя (преодоление сопротивления газов и клапанных пружин на тактах газообмена - выпуска и впуска) достигают 5-15%. Примерно 10% энергозатрат уходит на привод вспомогательных агрегатов: масляного насоса, помпы, генератора и вентилятора системы охлаждения
В результате улучшения антифрикционных свойств рабочих поверхностей измениться могут лишь потери на трение в цилиндропоршневой группе и подшипниках коленчатого вала двигателя. Сумма этих величин может достигать 80-85% от всей мощности механических потерь.
Поэтому теоретический предел повышения мощности двигателя, если целиком исключить трение в цилиндропоршневой группе и подшипниках коленвала (что, в принципе, невозможно), оценивается в 15-20 %. Реально же эффект улучшения технико-экономических показателей двигателя (повышение мощности, снижение расхода топлива) в результате антифрикционной обработки поверхностей трения согласно таких представлений, не может превысить 10 %.
Однако верна ли эта оценка? Какой реальный выигрыш по мощности и другим параметрам может быть достигнут в результате антифрикционной обработки узлов двигателя?
Для ответа на эти вопросы была проведена антифрикционная обработка цилиндров дизельного двигателя без разборки по технологии «КЭСОН», разработанной Институтом биоорганической химии и нефтехимии Национальной Академии Наук Украины. Суть технологии заключается в напылении на цилиндры специального антифрикционного металлополимерного покрытия. Напыление проводили без разборки двигателя через форсуночные отверстия с помощью дозирующего устройства при насосных ходах поршней.
Рис.17 Изменение номинальной мощности и максимального крутящего момента дизеля после антифрикционной обработки цилиндропоршневой группы:
1-до обработки,
2-после обработки
На рис.17 приведены результаты сравнительных стендовых испытаний дизеля рабочим объемом 2 500 см3 до и после антифрикционной обработки цилиндропоршневой группы. Cтендовые испытания были проведены в лаборатории исследования использования топлив и экологии Госпредприятия «ГосавтотрансНИИпроект» (г.Киев). Выбранный двигатель (производства фирмы YANGDONG CO, Китай) находился на начальной стадии эксплуатации (пробег до 10 тыс.км) для исключения влияния на результаты испытаний фактора неопределенности изношенности топливной аппаратуры, газораспределительного и других механизмов. Измерения мощности и крутящего момента двигателя проводились на электрическом нагрузочном стенде Zollner типа B-350AC (Германия). Для измерения расхода топлива применяли расходомер топлива ONO SOKKI DF-311 (Япония). Дымность отработавших газов дизеля измеряли с помощью дымомера МК-3 (Англия).
Как следует из полученных результатов, проведенная обработка ЦПГ позволила повысить номинальную мощность дизеля на 34 % (от 33,7 до 45,1 кВт), увеличить максимальный крутящий момент на 13 % (от 145,9 до 164,6 Н•м). Кроме того, после обработки расход топлива снизился на 24 % (за счет уменьшения цикловой подачи топлива).
Наряду со значительным повышением мощностных показателей дизеля существенно снизилась дымность отработавших газов (Рис.18).
Рис.18 Влияние антифрикционной обработки ЦПГ дизеля на дымность отработавших газов: 1-до обработки,2-после обработки
Для необработанного дизеля при низких и средних частотах вращения коленвала дымность была максимальной (до 100 %), с повышением частоты вращения дымность снижалась до минимума в области частот 2500-2800 мин, затем при дальнейшем увеличении частоты вращения дымность начинала увеличиваться.
После обработки дизеля дымность при пониженных и средних частотах вращения коленвала уменьшилась более чем в 10 раз, при частотах в диапазоне 2500-2800 мин -1 зарегистрировано снижение дымности обработанного дизеля (по сравнению с его дымностью до обработки) в 1,2 раза, а при повышенных оборотах (более 3000 мин-1) – дымности дизеля до и после обработки примерно одинаковы.
В чем же причина резкого отличия полученных нами экспериментальных данных по влиянию антифрикционных покрытий на мощностные показатели двигателя с приведенной выше теоретической оценкой ?
По-видимому, в данном случае основной причиной увеличения номинальной мощности после антифрикционной обработки цилиндров является увеличение индикаторной мощности двигателя.
Коэффициент полезного действия (КПД) бензиновых двигателей составляет всего лишь 20-30%, а дизельных не превышает 40 %. Эти значения (20-40%) - реальный или термический КПД, равный отношению энергии, которую можно получить при полном сгорании топлива к полезной мощности, отбираемой на валу двигателя.
Сравнение значений термического (0,2-0,4) и механического КПД (0,7-0,8) показывает, что основные потери энергии в двигателе (больше половины) происходят на начальных этапах преобразования химической энергии топлива в тепловую и затем тепловой в механическую. Основная причина этих потерь - неполное сгорание топлива, а также потери тепла с выхлопными газами и через детали двигателя. Таким образом, в механическую – индикаторную мощность превращается меньше половины энергии топлива. Именно неэффективностью начальной стадии трансформации энергии топлива обусловлены низкий КПД двигателей внутреннего сгорания, а также экологическая опасность их работы.
Приведенная выше теоретическая оценка влияния трения на мощность основана на предположении, что процессы трения влияют на работу двигателя лишь при рабочем ходе (на такте расширения).
Однако не менее, а даже более существенно влияет на параметры двигателя трение в ЦПГ при такте сжатия посредством изменения условий горения топлива.
Оптимальные условия процесса горения топлива реализуются при:
- испарении (возгонке) всего топлива в рабочем объеме,
- наличии достаточного для сгорания топлива количества кислорода в смеси,
- обеспечении достаточного времени для протекания процесса горения
Основным фактором, обеспечивающим переход жидких частиц топлива в газообразное состояние, является повышение температуры в надпоршневом объеме в результате сжатия смеси (воздуха в дизелях). Поэтому величина сжатия топливовоздушной смеси перед воспламенением (компрессия), обеспечивая ту или иную степень возгонки жидких компонентов топлива, радикальным образом влияет на последующий процесс горения и полноту сгорания топлив.
Потери на трение в цилиндропоршневой группы на такте сжатия составляют небольшую долю в общем балансе потерь мощности, однако они сравнимы по величине с мощностью, расходуемой на сжатие топливовоздушной смеси в рабочем объеме. Поэтому снижение потерь на трение поршня по цилиндру при сжатии приводит к существенному повышению термодинамических потенциалов (давления и температуры), достигаемых в рабочем объеме к началу воспламенения смеси, в результате чего увеличивается полнота сгорания топлива. Вследствие увеличения полноты сгорания топлива повышается индикаторная и эффективная мощности двигателя, уменьшается расход топлива и снижается токсичность выбросов автомобилей.
Таким образом, безразборные методы антифрикционной модификации рабочих поверхностей при их своевременном применении позволяют существенно улучшать рабочие параметры автомобильных двигателей.
