CC BY
47
УДК 621.43.018.2
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫМИ ГИЛЬЗАМИ ЦИЛИНДРОВ
Д. А. Уханов, доктор техн. наук, профессор; М. В. Рыблов, канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА, Россия, e-mail: [email protected] А. Л. Хохлов, канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА, Россия, e-mail: [email protected]
Значительная часть индикаторной мощности поршневого ДВС расходуется на преодоление механических потерь, что приводит к ухудшению топливной экономичности двигателя и в целом автомобиля. Целью исследования является снижение механических потерь автомобильного бензинового двигателя металлизацией медью рабочей поверхности гильз цилиндров. При этом за счет уменьшения коэффициента трения в паре «поршневое кольцо - гильза цилиндра» происходит снижение механических потерь, что улучшает топливно-экономические показатели двигателя. Разработана методика расчета механических потерь двигателя с металлизированными гильзами цилиндров. Получена формула для определения мощности механических потерь двигателя, укомплектованного металлизированными гильзами. Установлено, что уравнения, характеризующие мощность механических потерь ДВС от частоты вращения коленчатого вала двигателя, оцениваются полиномом второй степени. Результаты расчета показывают, что металлизация медью рабочей поверхности гильз цилиндров способствует снижению потерь мощности на преодоление трения в цилин-дропоршневой группе и, как следствие, уменьшению мощности механических потерь на 11,6 % и повышению механического КПД двигателя УМЗ-417 на 5,9 %. Возможность снижения механических потерь двигателя за счет металлизации гильз цилиндров подтверждена результатами экспериментальных исследований.
Ключевые слова: автомобильный двигатель, механические потери, гильза цилиндра, металлизация рабочей поверхности.
Введение. Механические потери поршневого ДВС (внутренние потери) являются одной из основных составляющих непроизводительных затрат вырабатываемой энергии. Механический КПД современных двигателей на номинальном режиме составляет 0,75... 0,85, т. е. на преодоление механических потерь расходуется до 15. 25 % индикаторной мощности ДВС [1, 2]. При этом наибольшая доля механических потерь (до 80 %) приходится на потери от трения в сопряжениях цилиндропоршневой группы [3, 4]. Указанные потери снижают механический и эффективный КПД двигателя, что приводит к ухудшению его топ-ливно-экономических показателей.
Одним из эффективных способов снижения механических потерь является нанесение на детали цилиндропоршневой группы антифрикционных покрытий, в частности методом металлизации медью рабочей поверхности гильз цилиндров (ГЦ). При этом за счет уменьшения коэффициента трения между поршневыми кольцами и рабочей поверхностью ГЦ происходит снижение механических потерь, что спо-
собствует повышению механического и эффективного КПД двигателя, улучшению показателей его топливной экономичности и в целом автомобиля [5-11].
Материал и методы исследований. Известно, что основными показателями для оценки механических потерь ДВС являются мощность механических потерь (ЫМ) и механический КПД (пМ) [1, 2]:
(1)
N = N - N ;
1У М 1У i e
n = Р = Ne =fi_ NmL)
Пм P, N I1 N,J:
(2)
где N - индикаторная мощность двигателя, кВт; N - эффективная мощность двигателя, кВт; ре - среднее эффективное давление, МПа; р{ - среднее индикаторное давление, МПа.
Мощность механических потерь и среднее давление механических потерь связаны между собой соотношением [1, 2]
Nm =
Рмп-К
z • n
30 •т
(3)
Нива Поволжья № 1 (38) февраль 2016 87
где рМП - среднее давление механических потерь, МПа; Ук - рабочий объём цилиндра, л; 2 - число цилиндров; п-частота вращения коленчатого вала (к. в.), мин-1; Т - тактность двигателя.
В свою очередь, давление рМП линейно зависит от скорости перемещения поршня [12-15]:
Рмп = а + Ь-Сп , (4)
где а и Ь - коэффициенты, зависящие от типа и конструкции двигателя; СП - средняя скорость поршня, м/с.
По данным различных авторов [1, 15, 16], для бензиновых ДВС можно принять средние значения а = 0,05 МПа и Ь = 0,013 МПас/м, тогда давление механических потерь в зависимости от скорости поршня
Рмя = 0,05 + 0,013-Сп. (5)
Скорость поршня СП может быть выражена через частоту вращения к. в. (п) и ход поршня (Б):
5-п
Сп =
30
(6)
Следовательно, давление механических потерь в функции от частоты вращения к. в. и хода поршня можно представить в виде
Р м
0,05 + 0,00043 ■ 5 - п .
(7)
Принятые значения коэффициентов а и Ь справедливы для двигателя со штатными ГЦ (без металлизации рабочей поверхности). Однако металлизированные ГЦ отличаются более низким коэффициентом трения внутренней рабочей поверхности, что приведет к изменению указанных коэффициентов.
Для определения численных значений коэффициентов а и Ь двигателя с металлизированными ГЦ проанализируем составляющие уравнения мощности механических потерь ДВС [15, 16]:
N = N + N + N + N + N , (8)
м тк тп то пр нас' 4 '
где Nтк - мощность трения колец о стенки гильзы цилиндра, кВт; Nтп - мощность трения поршня, кВт; Nто - мощность трения в опорах коленчатого вала, кВт; Nпр -мощность, затрачиваемая на привод вспо-
могательных механизмов, кВт; N - мощ-
нас 1
ность насосных потерь, кВт.
В формуле (8) основной составляющей является мощность трения колец Nтк,
снижение которой может быть достигнуто путем нанесения меди на рабочую поверхность ГЦ. Мощность Nтк может быть определена по формуле [15]
N = В-5- И(рлкк-Ру)•/- п- 10-8, (9)
где В - диаметр кольца в цилиндре, мм; к -высота кольца, мм; к - число компрессионных колец; ру- радиальная упругость кольца, МПа; / - коэффициент трения.
Результаты и обсуждение. По известным данным [15, 16] примем N = 27%,
Nтn = 18% , Nmо = 23% , Nnp = 20%, Nнас = 12% , тогда мощность Ым для двигателя со штатными гильзами цилиндров будет составлять
^к = 0,27Мм. (10)
На примере двигателя УМЗ-417 (4Ч9,2/9,2), укомплектованного штатными ГЦ, мощность механических потерь, определенная по формулам (3-7), составила Nм = 18,6 кВт, из которых составляющая
= 5,02 кВт. При этом остальные составляющие потерь ^ост) остаются без изменений для двигателя со штатными ГЦ и с металлизированными ГЦ и составят
Nоm = ^ N = N^1-0,27) = 13,58 кВт. (11)
Составляющая мощности на трение колец для двигателя с металлизированными ГЦ (Nm ), определенная по формуле (9), составила 2,87 кВт, а общая мощность механических потерь N'м=N'mк +Nосm = 16,45
кВт. При этом доля мощности Nmк от общей мощности N/М составила
Nm к =0,174 Nм
(12)
Определим среднее давление механических потерь Рм^п для двигателя с металлизированными ГЦ, выразив его из формулы (3):
pМП = '
30-т-n
м
К-2-п
= 0,179 МПа . (13)
Эффект от металлизации гильз цилиндров будет возрастать с ростом частоты вращения к. в., т. е. снижение давления Рмп будет происходить за счет измене-
Л/№ кВт
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
^
/ У*
ЛГМ =0,0011-й+ 8 ■ 10" -л' *
' „и
/ ^
N -0,001 1 ■ п + 6 •10~7-п7
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
со штатной ГЦ Т1 с металлизированной ГЦ р МИН
-1
Изменение мощности механических потерь двигателя УМЗ-417 со штатными и металлизированными ГЦ в зависимости от частоты вращения коленчатого вала
ния коэффициента Ь, входящего в линейное уравнение (4). Решив это уравнение относительно коэффициента Ь, получим для двигателя с металлизированными ГЦЬ'=0,010.
Таким образом, формула (5) для двигателя с металлизированными ГЦ примет вид
- для двигателя со штатными ГЦ Ым = 0,001« + 8,1-10-У;
р = 0,05
* МП '
0,010 •с
а формула (7) с учетом (6) р'МП =0,05+0,00034-5«.
(14)
(15)
Подставив формулы (7) и (15) в формулу (3), получим зависимости Ым = / (п) при постоянных и известных значениях Ук z и
- для двигателя со штатными ГЦ
0,05-V • п • z + 0,00043-V • 5 • z • п N =--------; (16)
М 120 ;
- для двигателя с металлизированными ГЦ
, 0,05-V • п • z + 0,00034-V • 5 • z • п
N =■
(17)
120
Если в формулы (16) и (17) подставить параметры двигателя УМЗ-417 (У- = 0,6112 л; z = 4; 5 = 0,092 м), то будут получены зависимости мощности механических потерь от частоты вращения к. в. в виде квадратичной функции:
(18)
- для двигателя с металлизированными ГЦ
Ым = 0,001 п + 6,4-10-7п2. (19)
Результаты расчетов по вышеописанной методике показывают, что у двигателя с металлизированными ГЦ мощность механических потерь уменьшается на 11,6 % по сравнению с двигателем, укомплектованным штатными ГЦ. За счет этого механический КПД повышается с 0,789 до 0,831 (на 5,9 %), что способствует повышению эффективного КПД и, как следствие, улучшению топливно-экономических показателей двигателя и автомобиля в целом.
Экспериментальная оценка механических потерь двигателя со штатными и с металлизированными ГЦ проводилась на моторной установке, содержащей двигатель УМЗ-417 и тормозной стенд КИ-5543-ГОСНИТИ со штатными контрольно-измерительными приборами [17]. Мощность механических потерь двигателя определяли методом прокручивания к. в. электродвигателем балансирной электрической машины.
На рисунке показаны полученные экспериментальные и аппроксимированные зависимости мощности механических потерь двигателя со штатными ГЦ и с металлизированными ГЦ от частоты вращения к. в., которые имеют высокую степень сходимо-
Нива Поволжья № 1 (38) февраль 2016 89
сти с теоретическими значениями, рассчитанными по формулам (18) и (19).
Выводы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают, что металлизация медью рабочей поверх-
ности гильз цилиндров позволяет существенно снизить механические потери автомобильного двигателя, что повышает эффективный КПД двигателя и, как следствие, улучшает топливную экономичность автомобиля.
Литература
1. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: учебник для вузов / В. Н. Луканин, К. А. Морозов, А. С. Хачиян и др.; под ред. В. Н. Луканина и М. Г. Шатрова. -М.: Высшая школа, 2007. - 479 с.
2. Уханов, А. П. Автомобильные двигатели и автомобили. Курсовое и дипломное проектирование / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, П. Н. Аюгин и др.; под ред. А. П. Уханова. - Ульяновск: УГСХА,
2012. - 351 с.
3. Тимохин, С. В. Совершенствование технологии и средств холодной обкатки автотракторных ДВС / С. В. Тимохин, И. С. Королев // Нива Поволжья. - 2015. - № 1(34). - С. 61-65.
4. Повышение технико-эксплуатационных показателей ДВС модернизацией цилиндропоршне-вой группы / А. Ш. Нурутдинов, В. А. Степанов, А. Л. Хохлов и др. // Аграрный научный журнал. -
2013. - № 4. - С. 66-69.
5. Патент 2451810 РФ, МПК Р02Р 1/20. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания / Д. А. Уханов, А. Л. Хохлов, И. Р. Салахутдинов, А. А. Хохлов; ФГОУ ВПО «Ульяновская гос. с.-х. академия им. П. А. Столыпина». - № 2011100391/06; заяв. 11.01.2011; опубл. 27.05.2012, Бюл. № 15.
6. Патент на полезную модель 130003 РФ. Поршень двигателя внутреннего сгорания / Д. М. Марьин, А. Л. Хохлов, Д. А. Уханов и др.; ФГОУ ВПО «Ульяновская гос. с.-х. академия им. П. А. Столыпина». - № 2012151171/06; заяв. 28.11.2012; опубл. 10.07.2013, Бюл. № 19.
7. Определение шероховатости и элементного состава металлизированных гильз цилиндров ДВС / А. Л. Хохлов, А. Ш. Нурутдинов, И. Р. Салахутдинов, Д. А. Уханов // Нива Поволжья. - 2013. -№ 1(26). - С. 66-70.
8. Исследование металлизированной гильзы цилиндров на прочность / А. Ш. Нурутдинов, А. Л. Хохлов, И. Р. Салахутдинов, Д. А. Уханов // Сельский механизатор. - 2013. - № 6. - С. 33-35.
9. Причины износов и перспективные способы восстановления деталей цилиндропоршневой группы / А. Ш. Нурутдинов, А. Л. Хохлов, И. Р. Салахутдинов, Д. А. Уханов // Сб. материалов25 Междунар. науч.-техн. семинара имени Михайлова В. В. «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники». - Саратов: СГАУ, 2012. -С.194-197.
10. Цветная дефектоскопия металлизированных гильз цилиндров ДВС / А. Ш. Нурутдинов, А. Л. Хохлов, Д. А. Уханов, И. Р. Салахутдинов // Сб. материалов 26 Междунар. науч.-техн. семинара имени Михайлова В. В. «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники».- Саратов: СГАУ, 2013. -С.145-147.
11. Расчетно-теоретическая и экспериментальная оценка «жесткости» работы дизеля при обогащении воздушного заряда активаторами минерального и растительного происхождения / А. П. Уханов, В. А. Рачкин, Д. А. Уханов, М. В. Рыблов // Нива Поволжья. - 2009. - № 1 (10). -С. 88-92.
12. Рыблов, М. В. Расчет крутящего момента дизеля при работе с обогащением воздушного заряда / М. В. Рыблов, Д. А. Уханов, С. А. Симаков // Образование, наука, практика: инновационный аспект: сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф., посвященной Дню российской науки. Том II. - Пенза: РИО ПГСХА, 2015. - С. 61-65.
13. Уханов, А. П. Теоретические основы работы трактора на режиме перегрузок с обогащением воздушного заряда дизеля / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, М. В. Рыблов // Тракторы и сельхозмашины. - 2013. - № 3. - С. 17-19.
14. Уханов, А. П. Методика расчета максимального давления цикла дизеля при двухстадийной подаче топлива / А. П. Уханов, М. В. Рыблов, С. А. Симаков // Эксплуатация автотракторной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы: сб. статей 11Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: РИО ПГСХА, 2015. - С. 103-107.
15. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания / Н. Х. Дьяченко, Б. А. Харитонов, В. М. Петров и др.; под ред. Н. Х. Дьяченко. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1979. - 392 с.
16. Путинцев, С. В. Механические потери в поршневых двигателях: специальные главы конструирования, расчета и испытаний: учебное пособие / С. В. Путинцев. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 288 с.
17. Результаты моторных исследований двигателя УМЗ-417 с биметаллизированными гильзами цилиндров / Д. А. Уханов, И. Р. Салахутдинов, А. Л. Хохлов, А. А. Глущенко // Нива Поволжья. - 2011. - № 4 (21). - С. 66-70.
UDK 621.43.018.2
THEORETICAL AND EXPERIMENTAL DETERMINING MECHANICAL LOSSES OF AUTOMOTIVE ENGINE WITH METALLIC CYLINDER LINERS
D.A. Ukhanov, doctor of technical sciences, professor; M.V. Ryblov, candidate of technical sciences, assistant professor
FSBEE HE Penza SAA, Russia, e-mail: [email protected] A.L. Khokhlov, candidate of technical sciences, assistant professor FSBEE HE Ulyanovsk SAA, Russia, e-mail: [email protected]
A significant part of the indicator power of piston engine is consumed when overcoming mechanical losses, resulting in decreasing fuel efficiency of the engine and a car in total. The research is aimed at the reduction of mechanical losses of automotive gasoline engine by metalizing working surface of cylinder liners with copper. Thus, by reducing the coefficient of friction in the pair "piston ring - cylinder liner" there is a reduction in mechanical losses, which improves fuel-economical operating of the engine. The authors developed a method of calculation of mechanical losses of the engine with metalized liners. The formula for determining the capacities of the mechanical losses of the engine equipped with metalized liners was obtained. It is stated that the equations describing the capacity of mechanical losses of the internal combustion engine from the rotational rate of the crankshaft of the engine, are evaluated by a polynomial of the second degree. The calculation results show that the copper metallization of the working surface of cylinder liners helps to reduce power loss to overcome friction in the cylinder-piston group and, consequently, reduce the power of mechanical losses by 11.6% and increase the mechanical efficiency of the engine UMZ-417 by 5.9 %. The possibility of reducing mechanical losses of the engine due to the metallization of cylinder liners was proved by the results of former experimental studies.
Key words: automotive engine, mechanical losses, cylinder liner, metallization of working surface.
References:
1. The internal combustion engines. In 3 books. Book 1. The theory of working processes: textbook for institutions of higher education / V. N. Lukanin, K. A. Morozov, A. S. Khachiyan et.al.; under the editorship of V. N. Lukanin and M. G. Shatrov. - M.: Vysshaya shkola, 2007. - 479 p.
2. Ukhanov A. P. Automotive engines and cars. Course and diploma designing / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, P. N. Ayugin et.al.; ed. by A. P. Ukhanov. - Ulyanovsk: USAA, 2012. - 351 p.
3. Timokhin, S. V. Perfection of technology and means of cold rolling of automotive internal combustion engines / V. S. Timokhin, I. S. Korolev // Niva Povolzhya. - 2015. - № 1(34). - P. 61-65.
4. Improving technical and exploitation characteristics of the internal combustion engine by modernization of the cylinder-piston group / A. Sh. Nurutdinov, V. A. Stepanov, A. L. Khokhlov et al. // Agrarny Nauchny Zurnal. - 2013. - No. 4. - P. 66-69.
5. Patent 2451810 of the Russian Federation, IPC F02F 1/20. Cylinder-piston group of the internal combustion engine / D. A. Ukhanov, A. L. Khokhlov, I. R. Salakhutdinov, A. A. Khokhlov; FSEE HPT "Ulyanovsk state agricultural academy in the name of P. A. Stolypin". No 2011100391/06; appl. 11.01.2011; publ. 27.05.2012, Bul. № 15.
6. Patent for useful model RF 130003. The piston of the internal combustion engine / D. M. Marin, A. L. Khokhlov, D. A. Ukhanov, et.al.; FSEE HPE "Ulyanovsk state agricultural academy in the name of P. A. Stolypin". No 2012151171/06; stated. 28.11.2012; publ. 10.07.2013, bull. No. 19.
7. The definition of roughness, and elemental composition of the metallized cylinder liners of internal combustion engines / A. L. Khokhlov, A. Sh. Nurutdinov, I. R. Salakhutdinov, D. A. Ukhanov // Niva Povolzhya. - 2013. - № 1(26). - P. 66-70.
8. Testing the metallized cylinder liners for durability / A. Sh. Nurutdinov, A. L. Khokhlov, I. R. Salakhutdinov, D. A. Ukhanov // Selsky mekhanizator. - 2013. - No. 6. - P. 33-35.
9. Causes of wear and promising ways of restoring parts of the cylinder-piston group / A. Sh. Nurutdinov, A. L. Khokhlov, I. R. Salakhutdinov, D. A. Ukhanov // Collection of proc. Of the 25th Intern. scien-tific.-techn. seminar in the name of Mikhailov V. V. "Problems of efficiency and operation of automotive machinery". - Saratov: SSAU, 2012. - P. 194-197.
10. Dye penetrant testing of metallized liners of internal combustion engines / A. Sh. Nurutdinov, A. L. Khokhlov, D. A. Ukhanov, I.R. Salakhutdinov I. // Collection of proc. materials of the 26th Intern. sci-entific.-tech. seminar in the name of Mikhailov V. V. "Problems of efficiency and operation of automotive machinery."- Saratov: SSAU, 2013. - P. 145-147.
Нива Поволжья № 1 (38) февраль 2016 91
11. Theoretical and experimental evaluation of "rigidity" of operating of the diesel engine when the enrichment of the the air charge with mineral and activators of mineral and vegetation origin / A. P. Ukhanov, V. A. Rachkin, D. A. Ukhanov, V. M. Ryblov // Niva Povolzhya. - 2009. - № 1 (10). - P. 88-92.
12. Ryblov, M. V. Calculation of torque moment of the diesel engine when operating with the air charge enrichment / M. V. Ryblov, D. A. Ukhanov, S. A. Simakov // Education, science, practice: innovative aspect: collection of materials of the Intern. scientific.-practical. conf. dedicated to the Day of Russian science. Vol. II. - Penza: RIO pgsa, 2015. - P. 61-65.
13. Ukhanov A. P. Theoretical bases of tractor operating on the mode of overload with the enrichment of the air charge of diesel / A. P. Ukhanov, D. A. Ukhanov, V. M. Ryblov // Tractors and farm machinery. - 2013. - No. 3. - P. 17-19.
14. Ukhanov A. P. Methods of calculation of the maximum cycle pressure of diesel engine during two-stage fuel supply / A. P. Ukhanov, V. M. Ryblov, S. A. Simakov // Operation of automotive equipment: experience, problems, innovations, prospects: collection of articles of II International scientific.-practical. conf. - Penza: EPD PSAA, 2015. - P. 103-107.
15. Design and calculation of internal combustion engines / N. Kh. Dyachenko, A. B. Kharitonov, V. M. Petrov, et.al.; under the editorship of N. Kh. Diachenko. - L.: Mashinostroenie, Leningrad department, 1979. - 392 p.
16. Putintsev S. V. Mechanical losses in piston engines: special chapters of construction, calculation and tests: textbook / S. V. Putintsev. - M.: MSTU in the name of N. E. Bauman, 2011. - 288 p.
17. The results of the motor testing the engine UMZ-417 with bi-metallized cylinder liners / D. A. Ukhanov, I.R. Salakhutdinov, A. L. Khokhlov, A. A. Glushchenko // Niva Povolzhya. - 2011. - № 4 (21). - P. 66-70.
