РАЗВИТИЕ МОДУЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ МЕХАНИЗМОВ ДВС

Аннотация

Применение  модульных векторных  моделей  позволяет при сравнительной оценке кинематического и динамического совершенства различных вариантов двигателей учитывать потери мощности на трение и влияние добавок к маслам на работоспособность.

Ключевые слова: модульное моделирование, динамическая модель, фторполимер, поверхностное покрытие.

Постоянное  повышение требований  экономичности и экологичности определяет практический интерес автомобильной индустрии к поисковым исследованиям в области создания  нетрадиционных силовых установок и, в частности,  двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Кривошипно-ползунный механизм – основа подавляющего большинства современных ДВС – вполне устраивал автомобилестроителей до тех пор,  пока можно было мириться с большим расходом топлива и токсичностью выхлопных газов. Постоянно усложняются различные его системы  при неприкосновенности триады “поршень – шатун - кривошип ”. Эволюционный путь совершенствования двигателей на основе кривошипно-ползунного механизма к настоящему  времени принципиально практически себя исчерпал. Приходится искать альтернативные механизмы, реанимируя  забытые технические решения и предлагая новые.

При оценке перспективности нетрадиционных принципиальных  решений практическую ценность представляют результаты сравнительного анализа кинематического и динамического совершенства предлагаемых различных по структуре и конструкции вариантов. К сожалению, большинство современных компьютерных систем, чаще всего ориентированных на определенный набор наиболее распространенных компоновок ДВС, не обеспечивает этой возможности.

 Модульный метод создания кинематических и динамических моделей различных  по структуре механизмов основан на их отображении системами стандартных векторных замкнутых контуров (модулей) [1] . Модульное моделирование различных по назначению механизмов    апробировано   в практике поискового и реального проектирования [2,3], а также в учебных курсах “Теория механизмов и машин” и “Кинематика ДВС и трансмиссий ” на кафедре основ конструирования Самарского государственного аэрокосмического университета [4].

Для различных по структуре и конструкции предлагаемых механизмов из векторных  модулей компонуются основные кинематические модульные модели,  дополнение которых данными о массовых характеристиках звеньев и внешних нагрузках на них позволяет получить основные динамические модульные модели. Для оценки возможностей  принципиальных схем предлагаемых  ДВС часто вполне достаточно ограничиться результатами анализа динамических моделей без учета потерь мощности на трение при использовании упрощенных  индикаторных диаграмм.

 Дальнейшее развитие динамических модульных моделей можно проводить с учетом процессов трения, особенностей термодинамических процессов, нагрузочных и тепловых деформаций звеньев, а также технологических и сборочных погрешностей.

При анализе потерь мощности на трение представляет возможность использования различных моделей трения, например, с учетом скорости движения поршня. Практическую ценность подобные модели могут представить и при оценки эффективности применения различных присадок к маслам, повышающих ресурс и долговечность двигателей.

Например. результаты экспериментальных исследований показали высокую эффективность применения в виде добавок к автомобильным маслам фторполимерных материалов, образующих в процессе эксплуатации противоизносные, антифрикционные покрытия для улучшения различных эксплуатационных параметров. Из фторсодержащих материалов лучше всего для этих  целей подходит политетрафторэтилен (ПТФЭ), обладающий уникальной совокупностью свойств: высокой химической и термической стойкостью, рекордными антифрикционными параметрами. [5]

Типичным представителем семейства фторполимерных добавок является первая отечественная добавка к маслам Форум®, содержащая высокодисперсный, поверхностноактивированный ПТФЭ. Присутствие в качестве основного компонента добавки  ПТФЭ с размером частиц 0.1-0.6мкм, с наличием на их поверхностях активных центров, позволяет обеспечить высокую адгезию ПТФЭ как к металлам, так и к другим неметаллическим материалам, образуя на их поверхностях тонкий полимерный слой, сохраняющий в условиях масляной среды свою работоспособность до 80 тыс. км

Успешно проведенные испытания в ряде научных и промышленных организациях России и за рубежом показали, что во всех случаях добавка Форум® существенно снижает износ двигателя, уменьшает угар и сохраняет качество масла, экономит топливо и повышает мощность двигателя.

Повышение ресурса и выходных параметров двигателя с применением добавки Форум® объясняется резким снижением значения коэффициента трения в зонах относительного перемещения соприкасающихся деталей, вибрации и динамических нагрузок. Роль антифрикционного ПТФЭ покрытия на трущихся поверхностях существенно повышается с увеличением давления в парах трения, особенно в случаях критических давлений, приводящих к разрыву масляного клина в зонах трения. [6]В этом случае функции масляного клина выполняет ПТФЭ покрытие, предотвращающее сухое трение.

Однако применение каких либо добавок или присадок к маслам для разрабатываемых двигателей требует тщательного анализа и экспериментального подхода с проведением на начальном этапе стендовых  испытаний. Но проведение полномасштабных испытаний присадки на конкретном двигателе связано с большими финансовыми затратами и длительными сроками.

Создание более совершенных динамических модульных моделей механизмов ДВС, допускающих, в частности, качественную и количественную оценку влияния присадок, может в ряде случаев при существенном сокращении объема экспериментальных исследований прогнозировать работоспособность перспективных энергоустановок.

Литература

1.    Семенов Б.П. Элементарные векторные модули. – Самара, Изд-во СНЦ РАН, 2003.

2.    Семёнов Б.П., Герасимов Д.В. Примитивизм как направление композиции механизмов двигателя / Motauto99 Proceeding, Internal Combustion Engines, Plovdiv, 1999. 13-15 October.

3.    Семенов Б.П., Косенок Б.Б. Учет процессов трения при композиции механизмов // Тез. докл. Российского симпозиума с международным участием. - Самара, 1989.

4.    Семёнов Б.П..  Кинематика двигателей внутреннего сгорания. Курс  лекций. – Самара: СГАУ,  1993.

5.    Применение новых высокодисперсных фторполимеров при эксплуатации автомобилей. Каргин Н.Т , Осипов М.Н., Цветников А.К. и др. ./ Сб. трудов первой МНПК “Автомобиль и техносфера”,-КГТУ, Казань, 1999

6.    Трибологические характеристики подшипников скольжения с фторопластовым покрытием  Каргин Н.Т , Осипов М.Н., Цветников А.К., и др./ Сб. трудов второй МНПК “Автомобиль и техносфера”,-КГТУ, Казань, 2001