Анализ потерь на трение и характеристик мощности двигателей внутреннего сгорания

Эффективная мощность (Pe), фиксируемая на выходном валу двигателя внутреннего сгорания (ДВС), всегда ниже индикаторной мощности (Pi), развиваемой непосредственно на поршне. Данная разница обусловлена неизбежными потерями, которые в технической литературе классифицируются как потери на трение (Pr). Эти потери являются критическим фактором, определяющим общий коэффициент полезного действия энергетической установки и ее экологические показатели.

Потери на трение включают в себя затраты энергии на взаимодействие ключевых компонентов, таких как коленчатый вал, шатуны, поршни и поршневые кольца. Сюда также относится работа газораспределительного механизма (ГРМ), включая привод кулачкового вала и работу вспомогательных агрегатов. Внутренняя мощность дополнительно учитывает насосные потери в ходе цикла газообмена, которые варьируются в зависимости от стандартов измерения и режимов работы.

Для объективного сравнения двигателей с различным рабочим объемом инженеры используют показатель среднего давления трения (pmr). Снижение этого параметра напрямую коррелирует с уменьшением удельного расхода топлива и повышением механического КПД. Оптимизация поверхностей трения и подбор смазочных материалов позволяют минимизировать Pr, что является приоритетной задачей при проектировании современных ДВС.

Структура механических потерь в двигателе. Общее трение полнокомплектного двигателя складывается из потерь в отдельных узлах и затрат мощности на привод навесного оборудования. Основной блок потерь сосредоточен в кривошипно-шатунном механизме, где коренные подшипники коленчатого вала и радиальные уплотнения создают постоянное сопротивление. Также значительная доля энергии расходуется в цилиндропоршневой группе на трение поршневых колец и пальцев.

Системы уравновешивания масс, необходимые для снижения вибраций, также вносят свой вклад в общую структуру потерь. Механизм привода клапанов и шестерни ГРМ требуют постоянной подачи мощности для преодоления сопротивления пружин и сил инерции. Суммарная эффективность системы зависит от качества обработки поверхностей и точности сборки данных узлов.

Вспомогательное оборудование играет важную роль в формировании баланса мощностей. К обязательным потребителям относятся масляный насос, насос охлаждающей жидкости (помпа) и генератор. В зависимости от комплектации автомобиля, мощность отбирается также на топливный насос высокого давления (ТНВД), вентилятор радиатора и вакуумный насос для тормозной системы.

Дополнительный комфорт и функциональность обеспечиваются за счет компрессора кондиционера, насоса гидроусилителя руля и воздушного компрессора в грузовых автомобилях. Каждый из этих агрегатов увеличивает нагрузку на вал двигателя, снижая итоговую эффективную мощность. Интеграция интеллектуальных систем управления позволяет отключать часть оборудования в режимах, когда их работа не требуется.

Классификация режимов трения в узлах ДВС. В зависимости от условий смазки в различных точках соприкосновения деталей возникают разные фрикционные состояния. Сухое трение (трение Кулона) характеризуется непосредственным контактом твердых тел без разделительного слоя жидкости. В работающем двигателе такой режим является аварийным и ведет к быстрому разрушению поверхностей из-за критического износа.

Граничное трение предполагает наличие тончайшего слоя смазочного материала или адсорбированной пленки на поверхностях. В этом случае жидкостный слой отсутствует, но химические свойства присадок в масле предотвращают прямой металлический контакт. Этот режим часто наблюдается в моменты пуска двигателя, когда масляный клин еще не сформирован.

Смешанное трение представляет собой комбинацию жидкостного и граничного (или сухого) режимов, где слой смазки не полностью разделяет детали. В зонах микровыступов шероховатости поверхностей происходит их кратковременное соприкосновение. Это переходное состояние характерно для работы узлов при низких скоростях вращения или экстремальных нагрузках.

Жидкостное трение (гидродинамическое) является идеальным режимом, при котором слой масла полностью разделяет поверхности. Движение деталей относительно друг друга создает гидродинамический подпор, который удерживает нагрузку. В современных двигателях большинство подшипников скольжения спроектировано для работы именно в этом режиме на рабочих оборотах.

Рис. 9-1. Кривая Штрибека (Stribeck curve), демонстрирующая зависимость коэффициента трения от скорости вращения.

Анализ кривой Штрибека и переходных процессов. Общее трение в системе определяется соотношением сил сухого, граничного и жидкостного сопротивления. В состоянии покоя в узлах наблюдается трение покоя, которое необходимо преодолеть для начала движения. При низких оборотах преобладает граничное и смешанное трение, причем коэффициент трения (λ) снижается по мере роста частоты вращения.

Точка всплытия (breakaway point) на графике обозначает момент, когда гидродинамическая пленка становится достаточно прочной. В этой точке слой масла полностью разделяет микронеровности рабочих поверхностей двух деталей. Скорость двигателя, при которой достигается это состояние, называется переходной скоростью, обеспечивающей минимальный коэффициент трения.

При дальнейшем росте частоты вращения выше переходной скорости наступает режим чистого жидкостного трения. Несмотря на отсутствие контакта деталей, общее сопротивление начинает снова расти из-за увеличения скорости сдвига слоев масла. Таким образом, вязкость смазочного материала становится определяющим фактором потерь при высоких оборотах двигателя.

Увеличение механической нагрузки на узел или снижение вязкости масла сдвигает точку перехода в область более высоких оборотов. Это расширяет зону опасного смешанного трения, увеличивая риск износа. Важно отметить, что левая ветвь кривой Штрибека является нестабильной зоной эксплуатации механизма.

Любое кратковременное возмущение в этой зоне, например, рост нагрузки, ведет к резкому повышению коэффициента трения. Это создает лавинообразный эффект, который может привести к перегреву и заклиниванию узла. Поэтому рабочая точка двигателя в установившемся режиме должна находиться на правой, стабильной ветви графика, вдали от точки всплытия.

Технологические аспекты минимизации трения. Для снижения потерь на трение в современном двигателестроении применяются передовые методы обработки металлов. Использование хонингования цилиндров и нанесение антифрикционных покрытий на юбки поршней позволяет существенно снизить pmr. Также инженеры стремятся уменьшить массу движущихся частей для снижения инерционных нагрузок на подшипники.

Выбор моторного масла играет решающую роль в управлении трением в различных температурных режимах. Масла с низкой вязкостью (например, 0W-20) снижают потери в режиме жидкостного трения, но требуют специальных присадок для защиты в зоне смешанного трения. Эволюция синтетических смазок позволяет находить баланс между защитой деталей и энергоэффективностью.

Конструкция масляного насоса с переменной производительностью также способствует снижению паразитных потерь. Регулируя давление в системе в зависимости от текущих потребностей двигателя, можно сэкономить до нескольких процентов эффективной мощности. Все эти меры в совокупности позволяют современным ДВС достигать высоких показателей экономичности.

Постоянный мониторинг состояния трибосистем двигателя является ключом к его долговечности и надежности. Разработка новых материалов, таких как керамика или композиты, открывает перспективы для дальнейшего снижения коэффициента трения. В условиях ужесточения экологических норм борьба за каждый процент мощности становится основой конкурентоспособности производителя.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ричард ван Бассхейзен, Фред Шефер

Источник: Руководство по двигателям внутреннего сгорания

Данные публикации будут полезны студентам автотехнических и машиностроительных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам в области двигателестроения, специалистам по ремонту и обслуживанию ДВС, а также всем, кто интересуется современными технологиями газораспределительных механизмов.