ОБЗОР РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТЕРЬ НА ТРЕНИЕ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

ОБЗОР РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТЕРЬ НА ТРЕНИЕ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Обзорная статья

Нестеренко Г.А.^1, *, Лысенко Е.А.², Нестеренко И.С.³, Шух Г.В.⁴, Морозова А.Р.⁵

¹ ORCID: 0000-0003-1528-4627;

² ORCID: 0000-0001-7465-3360;

³ ORCID: 0000-0003-4749-010X;

^{1, 2, 3, 4, 5} Омский государственный технический университет, Омск, Россия

* Корреспондирующий автор (nga112001[at]list.ru)

Аннотация

В данной статье рассматривается применение комбинированного подхода к исследованию потерь на трение в современном четырехцилиндровом дизельном двигателе для легковых автомобилей. Этот подход объединяет результаты измерений в узлах трения двигателя с использованием метода индикации и результаты моделирования опорных подшипников. Использование метода позволяет проводить анализ потерь на трение с учетом подсистемы, которая дает потери в поршневой группе, подшипниках скольжения коленчатого вала и клапанной передаче (включая привод ГРМ и сальники коленчатого вала). При низких оборотах двигателя и высоких нагрузках потенциал снижения потерь на трение значительно снижается и составляет менее 8%, что указывает на смешанные режимы смазки в поршневой группе и клапанной передаче.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, трение, измерение, методы измерения, клапанный механизм.

AN OVERVIEW OF VARIOUS METHODS OF INVESTIGATION OF FRICTION LOSSES IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Review article

Nesterenko G.A.^1, *, Lysenko E.A.², Nesterenko I.S.³, Shukh G.V.⁴, Morozova A.R.⁵

¹ ORCID: 0000-0003-1528-4627;

² ORCID: 0000-0001-7465-3360;

³ ORCID: 0000-0003-4749-010X;

^{1, 2, 3, 4, 5} Omsk State Technical University, Omsk, Russia

* Corresponding author (nga112001[at]list.ru)

Abstract

This article discusses the application of a combined approach to the study of friction losses in a modern four-cylinder diesel engine for passenger cars. This approach combines the results of measurements in the friction units of the engine using the indication method and the results of modeling the support bearings. The use of the method makes it possible to analyze friction losses taking into account the subsystem that gives losses in the piston block, the crankshaft sliding bearings and the valve gear (including the valve train drive gear and the crankshaft seals). At low engine speeds and high loads, the potential for reducing friction losses is significantly reduced and is less than 8%, which indicates mixed lubrication modes in the piston block and valve gear.

Keywords: internal combustion engine, friction, measurement, measurement methods, valve mechanism.

Введение

В данной статье рассматривается применение разработанного комбинированного подхода с использованием процедуры анализа для детального исследования потерь на трение современного дизельного двигателя легкового автомобиля. Основная цель исследования - проанализировать потери на трение базового двигателя и его узла, подшипников скольжения коленчатого вала, клапанного механизма и поршневого узла для различных тепловых граничных условий. Поэтому температуры подаваемого масла и охлаждающей воды варьируются от 70 до 110 ° C [1], [2]. Эти дополнительные исследования, в частности, при самых высоких температурах, позволяют идентифицировать критически важные узлы смешанной смазки в узлах. Вторичной целью является дальнейшая разбивка потерь на трение с помощью дополнительных измерений.

Выявлен индивидуальный вклад клапанного механизма, привода газораспределительного механизма (ГРМ), уплотнений коленчатого вала и коренных подшипников коленчатого вала.

Цели измерений

Измерение потерь на трение коренных подшипников коленчатого вала позволяет проверить использование метода моделирования опорных подшипников в системе коленчатого вала, что представляет собой третью цель данной работы. Подход к моделированию был разработан на основе испытательных стендов подшипников скольжения. В этой статье единственное измерение потерь в подшипниках скольжения позволяет впервые провести прямое сравнение с методом моделирования подшипников скольжения.

Целью разработанной процедуры анализа потерь на трение является определение потерь мощности на трение базового двигателя для работы двигателя и нагрузки, и разбивка этих потерь на подшипники скольжения коленчатого вала отдельных компонентов, клапанный механизм (с приводом ГРМ и уплотнениями коленчатого вала), и поршневую группу. Для этой цели был разработан подход к анализу, сочетающий измерения на испытательном стенде моторизованного двигателя с внешним наддувом и ранее разработанный прогнозирующий и широко проверенный метод моделирования подшипников скольжения. Обзор разработанного подхода показан на рисунке 1.

Рис. 1 – Общий обзор использованного комбинированного подхода для анализа потерь на трение в двигателе

Описание подхода к измерениям

Комбинированный подход объединяет экспериментальные результаты с расчетными потерями на трение в подшипниках скольжения из имитационных моделей. Это приводит, с одной стороны, к определению общих потерь на трение базового двигателя и, с другой стороны, к разрешенному распределению потерь на трение в узле по всему рабочему диапазону двигателя (скорость и нагрузка).

1. Эксперимент

Полный момент трения на коленчатом валу (по методу индикации)

• Работа с двигателем
• Загрузочная операция

Дополнительные измерения крутящего момента

• Клапанный механизм (включая привод, коренные подшипники коленчатого вала, сальники коленчатого вала)

2. Моделирование

• Потери на трение в подшипниках скольжения коленчатого вала для базового двигателя и конфигурации дополнительных измерений крутящего момента
• Моделирование с сопоставлением режима нефти с экспериментом, включая физические свойства смазочного материала (неньютоновское поведение жидкости, пьезовязкостный эффект, зависимость вязкости от скорости сдвига)

3. Распределение потерь на трение

• Общие потери на трение базового двигателя
• Распределение потерь на трение, связанных с узлом
• Подшипники скольжения коленчатого вала (коренной подшипник, шатунный подшипник)
• Клапанный механизм (включая привод ГРМ и сальники коленчатого вала)

Измерения проводятся с использованием метода индикации [3], [4].

Последовательность моделирования и измерений

Трение клапанного механизма: в дополнение к испытаниям на полное базовое трение двигателя дополнительные измерения трения выполняются при снятых поршнях и шатунах для определения момента трения клапанного механизма с приводом газораспределения и уплотнениями коленчатого вала.

Моделирование подготавливается в два этапа. На первом этапе используется имитационная модель базового двигателя для расчета потерь на трение в коренном подшипнике и подшипнике на большой стороне в испытанных условиях эксплуатации. На втором этапе используется уменьшенная модель двигателя без поршней и шатунов в сочетании с дополнительными измерениями крутящего момента трения клапанного механизма [5]. Для подробных и точных расчетов потерь на трение в подшипниках скольжения очень важно использовать модели смазки, которые коррелируют с экспериментами и точно описывают реологические свойства использованного моторного масла.

Полный двигатель сокращается до конфигурации с базовым двигателем путем удаления или деактивации всех вспомогательных устройств двигателя. Это позволяет полностью сосредоточиться на потерях на трение базового двигателя при исследовании потерь на трение [6]. Перед проведением испытаний на трение выполняется обширная процедура обкатки для учета процессов, влияющих на результаты. Затем на базовом двигателе выполняются первые измерения для получения карты трения двигателя во всем интересующем диапазоне нагрузки и скорости. Трения двигателя обычно измеряется при различных температурах подаваемой среды двигателя для анализа влияния различных тепловых граничных условий на потери на трение в двигателе [7].

Параллельно с экспериментальной частью создается имитационная модель опорного подшипника базового двигателя. Помимо подробных геометрических и массовых данных всего кривошипно-шатунного механизма, взаимодействие между имитационной моделью и экспериментами состоит из кривых давления в цилиндрах и оборотов двигателя для нагрузки на подшипник и данных измерения температуры основного подшипника для методологии моделирования опорных подшипников [8]. Общие потери на трение (гидродинамические и неровности на трение) коренных и шатунных подшипников коленчатого вала рассчитываются (подшипники скольжения) для тех же рабочих точек двигателя, которые использовались при измерениях карты трения двигателя. После того, как измерения карты трения двигателя закончены, базовый двигатель разбирается до стадии 0 полоскового испытания двигателя путем удаления поршней и шатунов. Эти так называемые дополнительные измерения крутящего момента затем проводятся при тех же граничных условиях для частоты вращения двигателя и температуры рабочей среды двигателя, которые использовались для измерений карты трения двигателя [9]. Создается дополнительная имитационная модель опорного подшипника в конфигурации этапа испытания двигателя на полосе для расчета и разделения потерь трения в коренном подшипнике для этого этапа испытания полосы. Путем вычитания измеренного момента трения из дополнительных измерений крутящего момента из момента трения моделирования опорного подшипника, коррелирующего с дополнительными измерениями крутящего момента, сила трения клапанного механизма. Для простоты этот момент трения далее называется моментом трения клапанного механизма, важно отметить, что (сравнительно меньшие) потери на трение привода ГРМ и уплотнительных колец коленчатого вала включены.

После определения потерь на трение в клапанной системе можно определить потери на трение поршневой группы. Результирующий момент трения поршневой группы рассчитывается из измеренного полного момента трения базового двигателя путем вычитания расчетного момента трения клапанного механизма и расчетного момента трения механизма подшипники скольжения коленчатого вала базовой конфигурации двигателя (подшипники скольжения TF) [10].

Заключение

При таком комбинированном подходе становится возможным определить потери на трение в узле поршневой группы, клапанного механизма и опорных подшипников коленчатого вала во всем диапазоне условий работы двигателя (весь диапазон оборотов двигателя и диапазон нагрузок). Это может быть сделано для всех типов одно- или многоцилиндровых двигателей и прототипов, соответственно, с использованием обычных коленчатых валов с возвратно-поступательным движением. Кроме того, экономия затрат достигается за счет меньших экспериментальных усилий, а подробное понимание трибологических характеристик коренных и шатунных подшипников коленчатого вала становится возможным с помощью результатов моделирования опорных подшипников.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Путинцев С.В. Обоснование и постановка задачи сравнительного анализа эффективности гладкой и шероховатой внутренних поверхностей цилиндров поршневых двигателей. / С.В. Путинцев, А.Г. Кириллов, А.С. Ратников // Автомобильная промышленность . – 2018. – №3. – c. 7-9.
2. Wichtl R. Experimental and Simulative Friction Analysis of a FiredPassenger Car Diesel Engine with Focus on the Cranktrain. / R. Wichtl, R. Schneider, P. Grabner et al. // SAE Int. J. Engines . – 2016. – №9. – p. 2227-2241.
3. Горицкий Ю.А. Марковский подход к построению моделей взаимодействия шероховатых поверхностей. / Ю.А. Горицкий, К.В. Гаврилов, И.А. Мигаль // Вестник Московского энергетического института. – 2019. – №1. – c. 114-123.
4. Качканьян Р.А. Пути снижения потерь на трение в кривошипно-шатунном механизме поршневых ДВС. / Р.А. Качканьян, К.С. Кульмагамбетов // Молодой ученый. – 2016. – №10. – c. 231-234.
5. Парфенов Е.В. Электролитно-плазменная обработка: моделирование, диагностика, управление: монография / Е.В. Парфенов, Р.Р. Невьянцева, С.А. Горбатков и др. – М.: Машиностроение, 2014. – 380 c.
6. Крутилин A.H. Условия работы и основные требования, предъявляемые к материалу гильз блока цилиндров. / A.H. Крутилин, M.И. Курбатов, М.И. Курбатова // Литьё и металлургия. – 2005. – №2-1 (34). – c. 107-109.
7. Григорьев А.Ю. Теория механизмов и машин. Экспериментальные исследования трения при страгивании и скольжении тел: Учеб.-метод. пособие. / А.Ю. Григорьев, Ю.С. Молчанов – СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2014. – 32 c.
8. Шестопалов С.К. Устройство, техническое обслуживание и ремонт легковых автомобилей: Учебник / С.К. Шестопалов – М: Академия, 2018. – 288 c.
9. Sander D.E. Simulation of journal bearing friction in severemixedlubrication-Validation and effect of surface smoothing due to running-in. / D.E. Sander, H. Allmaier, H.H. Priebsch et al. // Tribol. Int. – 2016. – №96. – p. 173-183.
10. Плаксин А.М. Диагностирование системы впуска автомобильных двигателей внутреннего сгорания методами тестового диагностирования. / А.М. Плаксин // Фундаментальные исследования. – 2014. – №8-5. – c. 1053–1057.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Putincev S.V. Obosnovanie i postanovka zadachi sravnitel'nogo analiza e'ffektivnosti gladkoj i sheroxovatoj vnutrennix poverxnostej cilindrovporshnevy'x dvigatelej [Justification and formulation of the problem of comparative analysis of the efficiency of smooth and rough inner surfaces of piston engine cylinders]. / S.V. Putincev, A.G. Kirillov, A.S. Ratnikov // Avtomobil'nayapromy'shlennost' [Automotive industry]. – 2018. – №3. – p. 7-9. [in Russian]
2. Wichtl R. Experimental and Simulative Friction Analysis of a FiredPassenger Car Diesel Engine with Focus on the Cranktrain. / R. Wichtl, R. Schneider, P. Grabner et al. // SAE Int. J. Engines . – 2016. – №9. – p. 2227-2241.
3. A. Markovskij podxod k postroeniyu modelej vzaimodejstviya sheroxovaty'x poverxnostej [Markov approach to the construction of models of interaction of rough surfaces]. / Yu.A. Goriczkij, K.V. Gavrilov, I.A. Migal' // Vestnik Moskovskogo e'nergeticheskogo instituta [Bulletin of the Moscow Power Engineering Institute]. – 2019. – №1. – p. 114-123. [in Russian]
4. Kachkan'yan R.A. Puti snizheniya poter' natrenie v krivoshipno-shatunnom mexanizme porshnevy'x DVS [Ways to reduce friction losses in the crank mechanism of piston internal combustion engines]. / R.A. Kachkan'yan, K.S. Kul'magambetov // Molodoj ucheny'j [Young scientist]. – 2016. – №10. – p. 231-234. [in Russian]
5. Parfenov E.V. E'lektrolitno-plazmennayaobrabotka: modelirovanie, diagnostika, upravlenie: monografiya [Electrolytic-plasmatreatment: modeling, diagnostics, control: monograph] / E.V. Parfenov, R.R. Nev'yanceva, S.A. Gorbatkovetal. – M.: Mashinostroenie, 2014. – 380 p. [in Russian]
6. Krutilin A.H. Usloviya raboty' I osnovny'e trebovaniya, pred''yavlyaemy'e k material gil'z bloka cilindrov [Working conditions and basic requirements for the cylinder liner material]. / A.H. Krutilin, M.I. Kurbatov, M.I. Kurbatova // Lit'yo i metallurgiya [Casting and metallurgy]. – 2005. – №2-1 (34). – p. 107-109. [in Russian]
7. Grigor'evA.Yu. Teoriya mexanizmov I mashin. E'ksperimental'ny'e issledovaniya treniya pristragivanii i skol'zhenii tel: Ucheb.-metod. posobie. [The theory of mechanisms and machines. Experimental studies of friction when moving and sliding bodies: Textbook.-method. allowance.] / A.Yu. Grigor'ev, Yu.S. Molchanov – SPb.: NIU ITMO; IXiBT, 2014. – 32 p. [in Russian]
8. Shestopalov S.K. Ustrojstvo, texnicheskoe obsluzhivanie i remont legkovy'x avtomobilej: Uchebnik [Device, maintenance and repair of passenger cars: Textbook] / S.K. Shestopalov – M: Akademiya, 2018. – 288 p. [in Russian]
9. Sander D.E. Simulation of journal bearing friction in severemixedlubrication-Validation and effect of surface smoothing due to running-in. / D.E. Sander, H. Allmaier, H.H. Priebsch et al. // Tribol. Int. – 2016. – №96. – p. 173-183.
10. Plaksin A.M. Diagnostirovanie sistemy' vpuska avtomobil'ny'x dvigatelej vnutrennego sgoraniya metodami testovogo diagnostirovaniya [Diagnostics of the intake system of automobile internal combustion engines by test diagnostics methods]. / A.M. Plaksin // Fundamental'ny'eissledovaniya [Basic research]. – 2014. – №8-5. – p. 1053–1057. [in Russian]