Пути снижения потерь на трение в кривошипно-шатунном механизме поршневых ДВС



Ключевые слова:кривошипно-шатунный механизм, двигатель внутреннего сгорания, коэффициент полезного действия, снижение потерь на трение.

Эффективные показатели двигателя внутреннего сгорания (ДВС) зависят от совершенства процесса сгорания и величины механических потерь, а следовательно и механического коэффициента полезного действия (к.п.д.). Эффективная работа, снимаемая с коленчатого вала двигателя всегда меньше индикаторной работы, совершаемой газами в цилиндре, полученной при сгорании топлива. Разность индикаторной и эффективной работы обуславливается тем, что механизмы и детали двигателя так же потребляют энергию, и эту разность принято называть работой механических потерь.

Механические потери рассматриваются в теории ДВС как часть индикаторной мощности, затраченная на преодоление всех внешних и внутренних типов сопротивления в сопряжениях деталей и механизмов, движения газов и жидкостей. Несмотря на большой прогресс в двигателестроении достигнутый в последние 10–15 лет, к.п.д двигателя в среднем не превышает значение 0.75 на номинальном режиме работы. Иными словами, четверть сжигаемого нами топлива теряется безвозвратно. От 40 до 60 % общих механических потерь приходится на цилиндропоршневой группе (ЦПГ) двигателя.

Учитывая, что двигатели внутреннего сгорания являются сердцем автотранспорта, насчитывающий миллиарды экземпляров, необходимо найти эффективные способы снизить потери, затрачиваемые на трение, что серьезно увеличит эффективность используемого топлива, которое в свою очередь является по большой части продуктом переработки нефти, невосполнимого природного ресурса. Имеющиеся способы получения синтетического топлива не удовлетворяют постоянно возрастающий спрос, к тому же имеются ограничения и требования по производству.

Распространенные методы снижения потерь такие как, антифрикционные присадки к моторным маслам, профилирование деталей, обработка и покрытие поверхностей — постепенно достигают своих пределов и не в состоянии значительно сократить разрыв между индикаторной и эффективной мощностями.

Так, в данной статье рассматриваются возможности нестандартных конструкций двигателей и предлагается метод совершенствования двигателя путем добавления второго колен-вала.

Общие механические потери в ДВС состоят из следующих составляющих:

– потерь на трение в кривошипно-шатунном механизме (КШМ);

– потерь на газообмен (насосные хода);

– потерь на привод вспомогательных механизмов.

Факторы влияющие на величину отдельных составляющих потерь:

– конструктивные параметры;

– материалы и технология

– режимы работы двигателя и др.

Так на трение основное влияние оказывают нагрузочный, скоростной, температурный режимы и характер смазки. На насосные потери влияют нагрузочный и скоростной режим, а потери на привод вспомогательных механизмов зависят, в основном от скоростного режима. Наибольший интерес представляют потери на трение в КШМ.

Это обусловлено тем, что на детали КШМ действуют максимальные газовые силы, силы инерции и максимальные температуры (цилиндр, поршень, поршневые кольца), скоростной режим двигателя. Кроме того в сопряжение цилиндр, поршень, поршневые кольца трудно обеспечить подачу смазки.

Все это приводит к тому, что удельный вес потерь на трение (из общих механических потерь) — наибольший (порядка 70 %). Следовательно, за счет снижения потерь на трение можно существенно снизить общие потери и улучшить механический и эффективный к. п.д. [1].

На детали КШМ действуют силы давления газов и силы инерции от поступательно движущихся масс (поршень с поршневым пальцем, кольцами и части шатуна). Эта суммарная сила, действующая на поршневой палец раскладывается на две составляющие: одна действует на тело (стержень) шатуна (Р_ш), а вторая перпендикулярно к стенке цилиндра N (нормальная сила) и прижимает поршень к стенке цилиндра (рисунок 1).

Рис. 1. Схема действия сил с классической системой кривошипно-шатунного механизма

У поршневых ДВС с классическим КШМ, с каждым ходом поршень прижимается то к одной стенке цилиндра, то другой (перекладка поршня). Характер и степень влияния нормальной силы (N) на трение (на величину потерь) в сопряжении «цилиндр — поршень — поршневые кольца» мало изучен. Это обусловлено тем, трудно отдельно выделить их долю из общих потерь на трение в КШМ, особенно на работающем двигателе.

Наличие нормальной силы (N) у поршневых ДВС с классической схемой КШМ (один кривошип на один поршень) обусловлено кинематикой и динамикой данного механизма. Действие нормальной силы с классической системой КШМ при повороте коленчатого вала на 720^о показано на рисунке 2.

Рис. 2. Действие нормальной силы с классической системой кривошипно-шатунного механизма

где нормальная сила, кН;

угол, град.

Попытки снизить влияние нормальной силы на трение уравновешиванием решают эту задачу частично.2

На наш взгляд, наиболее эффективным решением этой проблемы является применение схемы КШМ с двумя кривошипами на один поршень (двухвальный двигатель) рис. 3.

Рис. 3. Схема действия сил с двухвальной системой кривошипно-шатунного механизма

При такой схеме N_пр N_лев (нормальные силы от правого и левого кривошипов будут равны по величине, при равных массах поступательно движущихся частей) и направлены в противоположные стороны. Поршень будет перемещаться, не прижимаясь к стенке цилиндра, будет исключена перекладка поршня в мертвых точках. Действие нормальной силы в двухвальном двигателе показано на рисунке 4.

Рис. 4. Действие нормальной силы с двухвальной системой кривошипно-шатунного механизма

В связи с этим можно укоротить поршень (отпадает необходимость в направляющей части). Особенно это важно для дизельных двигателей, у которых масса поршня значительна из-за высоких силовых нагрузок.

Эффективность работы двухвального двигателя подтверждена разработкой двух немецких автолюбителей [3]. По их наблюдениям, двухвальный двигатель сможет спокойно работать на скоростных режимах более 10000 об/мин.

С учетом изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Двухвальный ДВС исключает прижатие поршня к стенке цилиндров и перекладку его в мертвых точках. Поршень перемещается в цилиндре не прикасаясь к стенкам;
2. За счет снижения силы трения, увеличивается механический и эффективный КПД и улучшается топливная экономичность двигателя;
3. Двухвальный поршневой ДВС обеспечивает спокойную работу двигателя на скоростных режимах от 10 до 15 тыс. об/мин.

Литература:

1. Рикардо Г. Р. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания. — М.: Машгиз, 1960. — 411 с.
2. Качканьян Р. А. Автореферат на тему: «Исследование механических потерь в тракторных двигателях с газотурбинным наддувом». — Челябинск, 1970.
3. Фомин В. Н., Кокорев И. А. Исследование трения легкого двигателя». Тр. НАТИ.- 1931.- Вып. 15.
4. Такигути М., Матида К., Фурухама С. Сила трения поршня о стенку цилиндра высокооборотного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания//Проблемы трения и смазки.-1988.-№ 4.