Методы определения потерь на трение в двигателях внутреннего сгорания

Точное вычисление механических потерь на трение в современных двигателях внутреннего сгорания представляет собой трудоемкую инженерную задачу. Существует множество подходов к определению данных параметров, однако большинство из них характеризуется значительными погрешностями измерения. В современной практике моторостроения для анализа трибологических показателей наиболее часто применяются специализированные методы, такие как метод выбега, метод отключения цилиндров и индицирование.

Метод выбега основан на фиксации изменения частоты вращения коленчатого вала во времени после стабилизации рабочего режима и последующего отключения двигателя. На основе полученных данных и известных моментов инерции движущихся масс рассчитывается момент трения или среднее давление трения. Данный способ позволяет получить общее представление о потерях, но обладает ограниченной точностью из-за динамики изменения температурного режима в процессе остывания.

Метод отключения (выключения) цилиндров применяется преимущественно на многоцилиндровых силовых агрегатах. В ходе эксперимента прекращается подача топлива в один из цилиндров, который начинает работать в режиме прокрутки за счет энергии остальных функционирующих цилиндров. Потери на трение в этом случае определяются как разница между эффективной мощностью двигателя до и после прекращения подачи топлива в исследуемый сегмент.

Линии Уилланса (Willans lines) представляют собой графический метод анализа, где расход топлива двигателя откладывается по оси ординат относительно среднего эффективного давления (p_me​). Путем линейной экстраполяции полученных значений до нулевого расхода топлива определяются точки пересечения с отрицательной областью оси p_me​. Эти показатели условно принимаются за значения среднего давления трения при соответствующих частотах вращения коленчатого вала.

Метод прокрутки (моторирования) предполагает использование внешнего электродвигателя на испытательном стенде для приведения ДВС в движение. Мощность, затрачиваемая на вращение вала, интерпретируется как общие потери на трение. Измерения проводятся либо сразу после остановки работающего двигателя для сохранения рабочих температур, либо принудительно поддерживаются внешними термостатирующими установками.

Метод поузловой разборки (Strip method) является специфической формой моторирования, предназначенной для детального анализа потерь в отдельных узлах, таких как газораспределительный механизм (ГРМ) или вспомогательные агрегаты. Название метода происходит от процесса последовательного демонтажа (раздевания) компонентов двигателя на испытательном стенде. Итоговое значение трения формируется путем суммирования показателей, полученных как разница измерений до и после удаления конкретной детали.

Метод индицирования позволяет определить механические потери путем сопоставления термодинамических и механических параметров. Интегрирование давления в цилиндре за рабочий цикл дает значение среднего индикаторного давления (p_mi​). Разница между этим показателем и средним эффективным давлением (p_me​), рассчитанным на основе крутящего момента на выходном валу, определяет искомое среднее давление трения (p_mr​).

Существуют также специальные методы измерения, позволяющие анализировать трение отдельных компонентов непосредственно в процессе эксплуатации. Для исследования узлов, приводимых в движение валами, применяются прецизионные тензометрические фланцы. Для детального изучения поршневой группы используются специализированные установки, фиксирующие мгновенную силу трения поршня о стенки цилиндра.

Критическим фактором для обеспечения точности и воспроизводимости результатов любого метода является строгое соблюдение граничных условий эксперимента. Температуры смазочного масла и охлаждающей жидкости должны поддерживаться с отклонением не более ±1 K. Достижение такой стабильности возможно только при использовании высокоточных внешних систем термостатирования, исключающих влияние побочных факторов.

Анализ показывает, что методы выбега, отключения цилиндров и линии Уилланса имеют неустранимые системные погрешности, заложенные в самой их физической модели. В силу этого данные подходы рекомендуются специалистами лишь для выявления общих качественных тенденций, а не для получения точных количественных характеристик. Основная проблема метода прокрутки заключается в невозможности без индицирования отделить чисто механическое трение от газодинамических потерь при газообмене.

Метод поузловой разборки выделяется высокой воспроизводимостью благодаря возможности точного контроля граничных условий внешними системами. Принципиальной особенностью метода является передача крутящего момента через выходной вал, что максимально приближает условия работы компонентов к реальным. Однако это накладывает ограничения: для корректного замера необходимо иметь возможность функционирования системы как в сборе, так и без исследуемой детали.

При использовании данного метода важно учитывать, что измеряемые потери компонента всегда включают в себя трение элементов его привода. Например, при оценке ГРМ учитываются потери в зубчатом ремне или цепи привода. Это считается методологически оправданным, так как позволяет закрепить общие потери энергии за конкретным функциональным узлом с учетом его динамических характеристик.

Метод индицирования требует сложной измерительной аппаратуры и высокой квалификации персонала для получения достоверных данных. В многоцилиндровых двигателях показатели давления могут существенно различаться между цилиндрами, что обязывает проводить синхронные измерения во всех камерах сгорания. Это значительно усложняет практическую реализацию эксперимента и повышает требования к вычислительным мощностям.

Дополнительная сложность заключается в том, что малейшие погрешности в определении верхней мертвой точки (ВМТ) или калибровке датчиков давления критически искажают результат. Поскольку итоговое значение p_mr​ получается путем вычитания двух величин, ошибка в исходных данных может возрасти десятикратно. Фундаментальные исследования доказывают, что отклонение положения коленвала всего на 0,1° в районе ВМТ может изменить расчетное давление трения более чем на 10%.

Прямое сравнение различных методов измерения зачастую затруднено, так как на итоговый результат сильно влияют специфические граничные условия. Наглядным примером служит дизельный двигатель с непосредственным впрыском, чьи показатели представлены на Рис. 9-2. В ходе тестов поддерживались идентичные температуры: 90°C для масла в главной магистрали и 90°C для охлаждающей жидкости на выходе.

Рис. 9-2. Сравнение различных методов измерения на автомобильном дизельном двигателе с непосредственным впрыском.

Несмотря на стабильность внешних параметров, наблюдается хорошая корреляция между методом поузловой разборки и методом прокрутки только при условии вычета потерь на газообмен. Различия в значениях трения, зафиксированные на работающем и прокручиваемом двигателях, обусловлены рядом факторов. К ним относятся более высокие температуры масляной пленки и поршневой группы в режиме сгорания топлива.

Дополнительное влияние оказывает изменение боковых сил, действующих на поршень под давлением расширяющихся газов. Также в процессе реальной работы существенно меняются условия нагружения топливного насоса высокого давления (ТНВД). Все эти нюансы подчеркивают необходимость комплексного подхода при выборе методики исследования механических потерь в современных силовых установках.

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.