Повышение технико-экономических и ресурсных показателей четырехтактных поршневых двигателей путем оптимизации вязкостно-температурной характеристики моторного масла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Кудинов, Иван Сергеевич

• Кудинов, Иван Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кудинов, Иван Сергеевич

Список используемых сокращений.

Введение.

Глава 1 Современные представления о проблеме влияния свойств моторного масла на потери трения и износ сопряжений трения ДВС.

1.1 Условия работы моторного масла в ДВС.

1.2 Моторные масла и их основные свойства, влияющие на процессы трения и износа в ДВС.

1.3 Классификация моторных масел.

1.4 Механические потери в двигателе и их составляющие.

1.4.1 Экспериментальные методы определения механических потерь в двигателе.

1.5 Представления о проблеме износа сопряжений трения ДВС.

1.5.1 Экспериментальные методы определения износа.

1.5.2 Модели износа.

1.6 Выводы и постановка задачи исследования.

Глава 2 Экспериментальное исследование высокотемпературной вязкости моторных масел.

2.1 Постановка задачи экспериментального исследования.

2.2 Предмет исследования.

2.3 Методика эксперимента.

2.4 Точность эксперимента.

2.5 Результаты эксперимента.

2.6 Оценка точности расчета вязкости по формуле Уббелоде-Вальтера.

2.7 Новый метод расчета кинематической вязкости.

2.8 Выводы по главе.

Глава 3 Математическое моделирование процессов трения основных трибологических узлов ДВС.

3.1 Предпосылки для модернизации существующих моделей.

3.2 Оценка нагруженности и модернизация гидродинамического расчета узлов трения ДВС.

3.2.1 Работа кольцевого уплотнения.

3.2.2 Работа подшипников коленчатого вала.

3.2.3 Износ основных трибологических узлов ДВС.

3.3 Выводы по главе.

Глава 4 Экспериментально-расчетное исследование влияния вязкости на процессы трения в основных трибологических узлах двигателя.

4.1 Постановка задачи и выбор объекта исследования.

4.2 Методика проведения экспериментального исследования.

4.3 Описание испытательного стенда и измерительной аппаратуры.

4.4 Виды измерений и погрешностей.

4.6 Результаты экспериментального исследования.

4.7 Результаты расчетного исследования.

4.9 Оценка достоверности расчетов.

4.10 Выводы по главе.

Глава 5 Оптимизация ВТХ моторного масла при помощи модернизированной методики расчета процессов трения.

5.1 Постановка задачи.

5.2 Решение задачи оптимизации.

5.3 Оптимизация ВТХ для двигателя ВАЗ 2108.

5.4 Результаты расчетного исследования.

5.5 Эксперимент по подбору моторного масла.

5.6 Моторные испытания выбранных масел.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение технико-экономических и ресурсных показателей четырехтактных поршневых двигателей путем оптимизации вязкостно-температурной характеристики моторного масла»

Актуальность диссертации

Влияние масел на долговечность и надежность деталей машин определяется их способностью защищать трущиеся поверхности от износа, обеспечивать необходимые характеристики их трения, снижать потери на трение. Очевидно, что работоспособность деталей машин и механизмов при правильной их эксплуатации определяется тремя основными факторами: конструкцией, технологией (качеством) изготовления и смазкой, то есть качеством и оптимальностью характеристик применяемого смазочного масла.

Важнейшим фактором, определяющим оптимальность работы узлов трения ДВС, является правильный подбор вязкостно-температурной характеристики (ВТХ) масла. Задача усложняется тем, что для разных узлов трения (поршневых колец, подшипников коленчатого вала и т.п.), условия работы масла существенно разнятся - и по величинам средних и максимальных нагрузок, и по температурам. В результате, встает очевидная оптимизационная задача, увязывающая мощность трения во всех основных узлах трения двигателя и износы его основных сопряжений.

Цель и задачи исследования

Целью данной научной работы являться разработка универсального расчетного метода подбора оптимальной ВТХ моторного масла под конкретный тип двигателя на основании анализа влияния высокотемпературной вязкости на технико-экономические и ресурсные показатели двигателя с учетом назначения двигателя, его конструктивных особенностей и режимов работы.

Методы исследования

В настоящей работе использованы экспериментальные и расчетные методы исследования.

К экспериментальным исследованиям относятся:

- эксперименты по определению значений кинематической вязкости моторных масел во всем диапазоне рабочих температур, характерных для работы узлов трения ДВС;

- экспериментальное исследование влияния высокотемпературной вязкости моторного масла на технико-экономические и ресурсные показатели натурного поршневого автомобильного двигателя.

Расчетные методы исследования включали в себя проведение численного эксперимента по оценке влияния вязкостных свойств различных моторных масел на процессы трения и износа в основных узлах поршневого ДВС с использованием программного комплекса, разработанного на кафедре ДВС СПбГПУ, дополненного и уточненного автором.

Научная новизна

- Предложена и апробирована новая зависимость, описывающая ВТХ моторных масел, обеспечивающая точное описание зависимости их кинематической вязкости в диапазоне температур, характерных для работы узлов трения ДВС;

- Создана библиотека коэффициентов новой зависимости для наиболее распространенных на рынке России моторных масел различных видов;

- Уточнена математическая модель процессов трения и износа путем ввода новой зависимости, описывающей ВТХ моторного масла;

- Сформулирована задача оптимизации ВТХ моторного масла для конкретного поршневого четырехтактного двигателя, решение которой проиллюстрировано на базе примера оптимизации подбора моторного масла для конкретного автомобильного бензинового двигателя.

Практическая цель

Разработанная методика может быть использована в процессе проектирования и доводки четырехтактных поршневых двигателей с целью повышения их технико-экономических и ресурсных показателей на базе оптимизации работы основных узлов трения этих ДВС.

Основные положения, выносимые на защиту

- Результаты эксперимента по определению кинематической вязкости моторных масел при помощи модернизированного метода замера с целью определения её реальных значений при температурах до 200°С;

- Новая расчетная формула для определения кинематической вязкости масел для всего температурного диапазона его работы в двигателе;

- Уточненная модель расчета процессов трения основных трибологиче-ских узлов ДВС, учитывающая реальный характер изменения ВТХ масла и её апробация, полученная путем сравнения результатов расчета с результатами полномасштабных моторных испытаний;

- Метод подбора оптимальной ВТХ моторного масла под конкретный двигатель, проиллюстрированный конкретным примером.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены на: Всероссийской научно-технической конференции «Развитие двигателестроения в России» в 2009 году, а также на Международной научно-практической конференции « НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ» 2008-2010 годов.

Публикации

Материалы исследований опубликованы в четырех статьях ведущих рецензируемых научных журналов и изданий входящих в перечень ВАК.

- // Двигателестроение. — 2009. — № 2. - Новый метод определения вясокотемпеюатуоной вязкости моторных масел.

А У 1. А

- // Двигателестроение. — 2009. — № 3. - Влияние высокотемпературной вязкости моторных масел на суммарную мощность трения в высокооборотных двигателях.

- // Двигателестроение. — 2011. — № 1. - Влияние некоторых физико-химических показателей моторного масла на технико-экономические и ресурсные показатели поршневых бензиновых двигателей.

-II Научно-технические ведомости - 2011. - №1 Расчетно-экспериментальная методика подбора оптимальной вязкостно-температурной характеристики смазочного масла для поршневого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Содержит 121 страницу, 56 рисунков, 11 таблиц. Библиография включает 67 наименований литературы.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Кудинов, Иван Сергеевич

Выводы по главе

Разработан и апробирован универсальный метод оптимизации ВТХ моторного масла под особенности конструкции и назначение конкретного поршневого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания,

С помощью разработанного метода, на примере двигателя ВАЗ 2108, проведено исследование влияния широкого спектра ВТХ моторных масел на мощностные и ресурсные характеристики двигателя. Данный анализ позволил проанализировать характер этого влияния на каждую из этих характеристик в отдельности.

Оптимизирована ВТХ моторного масла для двигателя ВАЗ 2108. Результаты оптимизации подтверждены результатами полномасштабного моторного эксперимента.

Заключение и выводы по работе

В результате проведения комплекса расчетно-экспериментальных исследований получены следующие основные результаты:

- Разработан и апробирован новый уточненный метод экспериментального определения кинематической вязкости масел.

- Создана новая формула, описывающая реальные значения кинематической вязкости масла во температурном диапазоне, характерном для работы

V} гтпв тпрнма гтг>птттирчзг>т тттлгят£»ттст

Л. Ч/ А-» *. VI Л1Л НУ; ЛАЛ 11У Х^ V/ 1 V

- Уточнена математическая модель процессов трения в основных три-бологических узлах ДВС посредством ввода в нее новой формулы, описывающей ВТХ смазочного моторного масла.

- Оценена достоверность и точность полученной математической модели.

- Проведенные исследования влияния вязкости моторного масла на работу трибологических узлов двигателя с помощью уточненной модели позволили разработать методику оптимизации вязкостно-температурной характеристики моторного масла.

В результате проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1. При помощи новой методики замера кинематической вязкости показано, что действительные (реальные) значения вязкости отличаются от принятых и широко используемых в настоящее время экстраполированных (расчетных) значений определяемых по формуле Уббелоде-Вальтера. Порядок отклонений от реальных значений вязкостей в среднем составляет 4,4% в диапазоне рабочих температур масла в двигателе. Максимальные отклонения достигают 21,4%.

На основании полученных результатов предложена новая формула расчета вязкости. Отклонения значений кинематической вязкости рассчитанные по новой квадратичной зависимости от экспериментальных, для всех испытанных образцов моторных масел в диапазоне рабочих температур, в среднем не превышают 0,7%.

2. Определено, что математическая модель, учитывающая вязкость моторного масла при помощи формулы Вальтера, не обеспечивает требуемой точности описания процессов трения в узлах ДВС, что связано с погрешностью определения вязкости в зоне рабочих температур ЦПГ (среднее отклонение по вязкости составляет 16,1%»).

3. Уточнение математической модели работы узлов трения в поршневом ДВС может быть достигнуто путем введения в алгоритм модели новой квадратичной зависимости определения вязкости, предложенной в настоящей работе. Степень повышения точности результатов при использовании модернизированной модели по сравнению с моделью на базе формулы Уббе-лоде-Вальтера, в среднем, по мощности трения ЦПГ составляет Дср=6,7%, по суммарной мощности трения Дер =5,7%. Корреляция результатов расчета с результатами моторных испытаний, адекватность расчетных длин путей трения данным физико-химического и весового анализа подтверждает работоспособность модернизированной модели. Полученные результаты позволили определить степень и характер влияние вязкости моторного масла на мощно-стные и ресурсные показатели двигателя.

4. На основании предложенной модели разработан метод оптимизации ВТХ моторного смазочного масла с целью повышения технико-экономических и ресурсных показателей различных типов двигателей с учетом их назначения, особенностей конструкции и характерных режимов эксплуатации. Достоверность и работоспособность предложенной методики оптимизации подтверждена экспериментальным путем в ходе решения задачи оптимизации вязкостных характеристик моторного масла для конкретного автомобильного двигателя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кудинов, Иван Сергеевич, 2011 год

1. Архангельский, В.М. Автомобильные двигатели Текст. / В.М. Архангельский, М.М. Вихерт, А.Н. Воинов [и др.]. М.: Машиностроение, 1977. -578 с.

2. Бугаец, Е.С. Его величество К.П.Д. Текст. / Е.С. Бугаец // Двигатель. -2003. -№ 1,2. -2004. - № 1, 2, 4, 5, 6.

3. Галышев, Ю. В. Теория и моделирование процессов в ДВС Текст.: примеры и задачи Учеб.пособие /' Ю.В. Галышев, А.Б. Зайцев, M.F. Петриченко. СПб. : [б. и.], 2002. - 96 с.

4. Гергенов, С.М. Испытания автомобильных двигателей. Часть 1 Текст. / С.М. Гергенов. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2002. - 65 с.

5. Громаковский, Д.Г. Система понятий и структура моделей изнашивания Текст. / Д.Г. Громаковский // Трение и износ. 1997. - Т. 18. - № 1.

6. ГОСТ 17.479.1-85. Масла моторные. Классификация и обозначение

7. ГОСТ 10541-78. Масла моторные универсальные и для автомобильных карбюраторных двигателей. Технические условия

8. ГОСТ 8581-78. Масла моторные для автотракторных дизелей. Технические условия

9. ГОСТ 12337-84. Масла моторные для дизельных двигателей. Технические условия

10. ГОСТ 25770-83. Масла моторные для быстроходных дизелей транспортных машин. Технические условия

11. ГОСТ 33-2000. Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости

12. ГОСТ 14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний

13. Галышев, Ю.В. Химмотология. Эксплуатационные материалы для двигателей внутреннего сгорания Текст.: учеб. пособие / Ю.В. Галышев, А.Б. Зайцев, А.Ю. Шабанов. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та. 2009. - 296 с.

14. Дубинин, А.Д. Энергетика трения и износа деталей машин Текст. / А.Д. Дубинин. М.Киев: 64. МАШГИЗ, 1963.- 139 с.

15. Дьячков, А.К. Подшипники скольжения жидкостного трения Текст. / А.К. Дьячков. М.: Машгиз, 1955, - 320 с.

16. Дьяченко, H. X. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания Текст. / H. X. Дьяченко, Б. А. Харитонов, В. М. Петров [и др.]. Л.: Машиностроение. 1979. - 392 с.

17. Дьяченко, Н.Х. Теория двигателей внутреннего сгорания Текст. / Н.Х. Дьяченко. Л.: Машиностроение. 1974. - 552 с.

18. Захаров, С.М. Гидродинамический и тепловой расчет подшипников коленчатого вала поршневого двигателя Текст. / С.М. Захаров, В.Ф. Эрдман // Вестник машиностроения. 1978. - № 5.ж

19. Захаров, С.М. Подшипники коленчатых валов тепловозных дизелей Текст. / С.М. Захаров, А.П. Никитин, Ю.А. Загорянский. М.: Транспорт, 1981.- 180 с.

20. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ Текст. / И. В. Крагельский, M. Н. Добычин, В. С. Комбалов. М.: Машиностроение, 1977. -526 с.

21. Коровчинский, М. В. Теоретические основы работы подшипников скольжения Текст. / М.В. Коровчинский. М.: Машиностроение. 1969, - 403 с.

22. Крагельского, И. В. Трение, изнашивание и смазка Текст.: Справочник / И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение. 1978.- Т. 1. - 400 с.

23. Канищев, А.Б. Расходные характеристики и особенности течения сжимаемого газа через малые отверстия прямоугольного сечения Текст. / А.Б. Канищев, P.M. Петриченко. Изв. Вузов. Энергетика. 1985. № 5.

24. Кузнецов, A.B. Топливо и смазочные материалы Текст. / A.B. Кузнецов. -М.: КолосС. 2005.- 199 с.

25. Крагельский, И.В. Современные методы прогнозирования износа узлов трения Текст. / И.В. Крагельский, B.C. Комбалов, А.Р. Логинов, Б.Я. Сачек. М.: ГОСИНТИ. 1979.-№ 15,-31 с.

26. Крагельский, И.В. Трение и износ Текст. / И.В. Крагельский. М.: Машиностроение. 1968. - 480 с.

27. Лебедев, В.М. Износостойкость трибосопряжений деталей машин Текст. / В.М. Лебедев. СПб.: Изд-во СПбГТУ. 1995. - 133 с.

28. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа Текст. / Л.Г. Лойцянский. -М.: Наука. 1987.-840 с.

29. Лазарев, П.П. Comptes Rendus Текст. / П.П. Лазарев. 185, 106, 1927.

30. Никитин, Ю.Н. Оценка жидкостного трения в сопряжении цилиндр -поршневое кольцо поршень Текст. / Ю.Н. Никитин, JI.X. Арустамов, С.П. Измайлов, С.П. Федотов // Двигателестроение. - 1983. - №7.

31. Нейман, И.Ш. Динамика авиационных двигателей Текст. / И.Ш. Нейман. Л.: Оборонгиз. 1940. - 474 с.

32. Орлин, A.C. Теория поршневых и комбинированных двигателей Текст. / A.C. Орлин, М.Г. Круглов. М.: Машиностроение. 1983. - 372 с.

33. Польцер, Г. Основы трения и изнашивания Текст. / Ф. Майсснер. Перевод с немецкого О.Н. Озерского, В.Н. Пальянова. / М.Н. Добычина. М.: Машиностроение. 1984. - 264 с.

34. Гольда, Б.В. Прочность и долговечность автомобиля Текст. / Б.В. Гольда. М.: Машиностроение. 1974. - 328 с.

35. Проников, A.C. Износ и долговечность станков Текст. / A.C. Проников. М., Машгиз. 1957. 275 с.

36. Проников, A.C. Основы надежности и долговечности машин Текст. / A.C. Проников. Изд-во стандартов. 1969. 160 с.

37. Петриченко, P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в ДВС Текст. / P.M. Петриченко. Л.: ЛГУ. 1983. - 265 с.

38. Петриченка, М.Р. Конвективный теплообмен в поршневых машинах Текст. / М.Р. Петриченка, P.M. Петриченко. Л.: Машиностроение. 1979. -232 с.

39. Петричеко, P.M. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС Текст.: Алгоритмы прикладных программ / P.M. Петричеко, С.А. Батурин, Ю.Н. Исаков [и др.]. Л.: Машиностроение. 1990. - 328 с.

40. Попык, К.Г. Динамика автомобильных и тракторных двигателей Текст. / К.Г. Попык. М.: Высшая школа. 1970.- 328с.

41. Петриченко, P.M. Формирование эпюры тепловой нагрузки зеркала цилиндра Текст. / P.M. Петриченко, Е.Е. Квасов // Двигателестроение. 1981. -№4.

42. Проников, A.C. Надежность машин Текст. / A.C. Проников. М.: Машиностроение. 1978. - 591 с.

43. Петриченко, P.M. Трение и теплообмен в поршневых кольцах ДВС Текст. / P.M. Петриченко, А.Ю. Шабанов [и др.] Л.: Изд. ЛГУ. 1990. - 320 с.

44. Розенберг, Ю.А. Влияние смазочных масел на долговечность и надежность деталей машин Текст. / Ю.А. Розенберг. М.: Машиностроение, 1970. -315 с.

45. Райков, И. Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания Текст. /И.Я. Райков. М.: Высшая школа. 1975. - 320 с.

46. Рамайя, К.С. Труды первой конференции по трению и износу в машинах; Труды совещания по вязкости жидкостей и коллоидных растворов Текст. / К.С. Рамайя, АН СССР т.1, №125, 1941.

47. Рамайя, К.С. Труды НАТИ Текст. / Машгиз, №45, 1947.

48. Сокол, H.A. Основы конструкции автомобиля. Двигатели внутреннего сгорания ч.1: Учеб. Пособие Текст. / H.A. Сокол, С.И. Попов. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ. 2003. - 113 с.

49. Середан, Н.В. Исследование и математическое моделирование процессов трения поршневых колец быстроходных двигателей внутреннего сгорания Текст.: автореф. дис. . канд. техн. наук / Н.В. Середан. Л.:ЛПИ. 1982. - 16 с.

50. Семанидо, Е.Г. Номограммы для определения температурных кривых вязкости нефтепродуктов и их смесей Текст. / Е.Г. Семанидо, Гостоптехиз-дат, Л.: 1934.

51. Тинг, JI. Разработка метода лазерной флуоресценции для измерения толщины масляной пленки в зоне поршневых колец Текст. / Л. Тинг. // Проблемы трения и смазки. 1980. №2. 31-41 с.

52. Туревский, И.С. Теория двигателя Текст. / И.С. Туревский. М.: Высш. шк. 2005.-238 с.

53. Токарь, И. Я. Проектирование и расчет опор трения Текст. / И.Я. Токарь. М.: Машиностроение. 1971. - 168 с.

54. Типей, Н. Подшипники скольжения. Расчет, проектирование, смазка Текст. / Н. Типей, В. Константинеску, А. Ника. Бухарест. Изд. Академии Румынской народной республики. 1964. - 457 с.

55. Фальц, Э. Основы смазочной техники Текст. / Э. Фальц. Л.: 1934.

56. Фукс, Г.И. Вязкость и пластичность нефтепродуктов Текст. / Г.И. Фукс. М.- Ижевск. 2003. 328 с.

57. Хрущев, М.М. Исследование изнашивания металлов Текст. / М.М. Хрущев, М.А. Бабичев. М.: Изд. АН СССР. 1960. - 351 с.

58. Черепанов, Д.А. Расчетно-экспериментальная модель изнашивания опор скольжения коленчатых валов поршневых ДВС текст.: дис. . канд. техн. наук / Д.А. Черепанов. СПб.: СПБГПУ. 2004. - 168 с.

59. Чистяков, В.К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания Текст. / В.К. Чистяков. М.: Машиностроение. 1989. -256 с.

60. Шабанов, А.Ю. Работа кольцевого уплотнения быстроходного дизеля текст.: дис. канд. техн. наук / А.Ю. Шабанов. СПб.: СПБГПУ. 1985. -242 с.

61. Walter H. Erdöl u. Teer, 382, 1931.

62. Konheim N., Larsona. Abberheim. Nat. Petrol News, 28, 3, 1934.

63. Dorsev A. Tranc. Am. Soc. Mech., 137. 1915.

64. Le Chatelier H. Ann. De phys., 3, 5, 1925.

65. Статьи интернет-ресурса http://auctionservice.ru/electronics/processes/1788/

66. Статьи интернет-ресурса h(tp://www.vstaius.ru/index.php?newsid-l

67. Статьиинтернет-ресурса http://greentime.ru/page.phpVlev 1 -8&lev2^31 &lev3~-29