Метод подбора оптимальной вязкостно-температурной характеристики смазочного масла для поршневого четырехтактного двигателей внутреннего сгорания

основных параметров и показателей утилизационного контура комбинированной установки в зависимости от температуры атмосферного воздуха при постоянной мощности газотурбинного двигателя.

В настоящей работе рассматриваются режимы утилизационного контура при скользящем давлении пара. По мере увеличения температуры атмосферного воздуха расход пара через турбину растет, что обусловлено в основном увеличением температуры уходящих из газотурбинного двигателя газов. При этом существенно увеличивается давление в конденсаторе пара. Взаимное влияние этих параметров объясняет характер изменения мощности паровой турбины (см. рис. 8). Во всем диапазоне температур воздуха температура пара не превышает 380 °С, а степень влажности за последней ступенью турбины — не больше 0,12.

Недогрев воды до кипения в экономайзере высокого давления, кДж/кг

Рис. 11. Показатели комбинированной установки в зависимости от температуры атмосферного воздуха

Таким образом, разработка и создание комбинированных парогазовых установок на базе газотурбинных двигателей НК—16СТ внесет свою долю в повышение экономической эффективности и экологической чистоты теплоэнергетики.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Арсеньев, Л.В. Комбинированные установки с паровыми и газовыми турбинами [Текст] / Л.В. Арсеньев, В.А. Рассохин, В.А. Черников. — СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1996,- 124 с.

2. Костюк, А.Г. Паровые и газовые турбины для электростанций / А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Е. Булкин, А.Д. Трухний; под ред. А.Г. Костю-ка,- М.: Изд. дом МЭИ, 2008,- 556 с.

УДК 631.43

А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев, И.С. Кудинов

РАСЧЕТНО-ЭКСП ЕРИ МЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ПОДБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ ВЯЗКОСТНО-ТЕМПЕРАТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СМАЗОЧНОГО МАСЛА ДЛЯ ПОРШНЕВОГО ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Подбор моторного масла под конкретный двигатель — задача, с одной стороны, крайне важная, поскольку от качества ее решения зависят многие показатели — мощность, экономичность, пусковые свойства и ресурс мотора. С другой стороны, отсутствует сколь-нибудь серьезная и апробированная методика решения этой задачи.

Существующие классификации моторных масел по вязкости как по ГОСТ 17479.1, так и по 8АЕI 300 базируются на значениях кинемати-

ческой вязкости только при двух температурах — отрицательной (не более) и при 100 °С (не менее либо в заданном диапазоне). Даже введение в современные нормативные документы ограничения по динамической вязкости при 150 °С (в частности, SAE J 300) задачи не решает. Это ограничение носит пороговый характер — «не менее», поэтому не может конкретизировать подбор масла под конкретный двигатель. Более того, выбранные точки вязкостно-температурной характеристики (ВТХ), при которых измеряются

вязкости масла, определяющие их класс, существенно отличаются от реальных рабочих температур масла в узлах трения современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Температура масла в зоне работы поршневых колец даже сред-нефорсированного двигателя доходит до 220— 240 °С, в подшипниках коленчатого вала — до 180 °С.

Насколько могут отличаться вязкостно-температурные характеристики масел одного класса при реальных рабочих температурах, иллюстрирует рис. 1. Для испытаний, проведенных на кафедре ДВС СПбГПУ, были взяты синтетические масла одной группы по SAE — 5W-40 с разной базовой основой: гидрокрекинговое (Mannol Extreme), на эстеровой основе (Xenum XI), а также «полная синтетика» на основе полиаль-фаолефинов (ПАО) и сложных эфиров (Лукойл Люкс, ТОТЕК, Роснефть Премиум).

Измерение высокотемпературной вязкости масел проводилось с использованием методики СПбГПУ [1] в диапазоне температур 100-180 "С с аппроксимацией на температуры до 220 °С с помощью модифицированной формулы высокотемпературной вязкости, предложенной в [2]:

lglg

где vt, сСт — искомое значение кинематической вязкости при температуре /; t — температура, °С; А, Д С — коэффициенты аппроксимации.

Как следует из полученных результатов, для моторных масел одной группы по SAE высокоКинематическая

вязкость,сСт

- Лукойл Люкс

^ - Mannol Extreme

—Т— - Xenum XI

\х ♦ Роснефть Премиум

160 180 200 220

Температура масла, С

Рис. 1. Вязкостно-температурные характеристики различных синтетических моторных масел класса SAE 5W-40 в зоне рабочих температур узлов трения ДВС

температурная вязкость при условиях, характерных для работы основных узлов трения ДВС, может различаться на 15—27 %. Это, в свою очередь, влечет за собой аналогичное различие в величине коэффициента нагруженности плоских подшипников скольжения цилиндропоршневой группы (поршневые кольца, тронки поршней) и цилиндрических подшипников коленчатого вала.

Согласно классической теории цилиндрического подшипника скольжения величина коэффициента нагруженности определяется как

где Р — удельное давление, действующее в узле трения; ю — угловая скорость относительного перемещения рабочих поверхностей подшипника; р — коэффициент динамической вязкости смазочного материала при рабочей температуре в узле трения; А — рабочий зазор в подшипнике; В — диаметр шейки вала (характерный размер узла трения).

Величина коэффициента нагруженности подшипника определяет как потери трения в нем, так и величины скоростей износа рабочих поверхностей узла трения. Поэтому, руководствуясь при выборе масла только классом вязкости 8АЕ, невозможно однозначно обеспечить идентичность и оптимальность величин механических потерь и скоростей износа, а значит, и всех мощностных, экономических и ресурсных показателей двигателя.

Основной задачей настоящей работы была разработка универсальной расчетно-экспери-ментальной методики оптимального подбора моторного масла под особенности конструкции и назначения конкретного поршневого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с учетом реальной вязкости масла при рабочих температурах в узлах трения.

Высокотемпературная вязкость моторного масла через особенности формирования смазочного слоя под поршневыми кольцами, тронком поршня и в подшипниках коленчатого вала влияет на параметры двигателя; основные из них следующие:

во-первых, это мощность механических потерь в узлах трения, которая определяется непосредственной зависимостью от вязкости при гидродинамических режимах трения и через длины

путей трения с нарушением режимов гидродинамики при граничном трении [4]. Подбором свойств моторного масла этот параметр следует минимизировать;

во-вторых, это скорость изнашивания рабочих поверхностей узлов трения, напрямую влияющая на ресурсные показатели двигателя. При сохранении идентичных линейных скоростей относительного движения рабочих поверхностей, образующих узлы трения, и нагрузокна них этот параметр также впрямую зависит от распределения смазочных слоев в этих узлах. А они, в свою очередь, при прочих равных условиях зависят только от параметров моторного масла;

в-третьих, распределение толщины смазочного слоя, формируемого на поверхности цилиндра поршневыми кольцами на такте расширения, которое в совокупности с параметрами летучести масла определяет величину безвозвратных потерь смазочного масла на угар и отчасти — токсичность отработавших газов по составляющей нетопливных остаточных углеводородов;

в-четвертых, масляная пленка в зазоре «поршневое кольцо — втулка цилиндра», оказывающая сопротивление отводу тепла от поршня в систему охлаждения двигателя, тем самым влияя на теплонапряженность деталей цилинд-ропоршневой группы (далее сокращенно ЦП Г);

в-пятых, поведение масла при низких температурах, влияющее на пусковые показатели двигателя, что оптимизируя высокотемпературную вязкость нельзя не учитывать.

На все указанные параметры высокотемпературная вязкость моторного масла влияет в различных направлениях. Так, для снижения скоростей износа однозначно требуется увеличение высокотемпературной вязкости, поскольку это приводит к уменьшению коэффициента нагру-женности подшипников. Однако при этом растут потери масла на угар и ухудшается теплоот-вод от поршневых колец. Мощность трения в рабочих узлах двигателя достигает минимума при строго определенной, оптимальной вязкости масла. При этом ее увеличение выше оптимального значения влечет за собой рост гидродинамических потерь, уменьшение — рост зоны граничного трения, также влекущего за собой увеличение потерь трения.

Так, результаты сравнительных испытаний восьми полусинтетических моторных масел 8АЕ 10\¥-40, проведенных в лаборатории двигателей

СПбГПУ, показали, что максимум энергосберегающих свойств при работе двигателя по точкам цикла испытаний, характерных для смешанного цикла эксплуатации, достигается у моторных масел с величиной высокотемпературной кинематической вязкости при 200 °С в области 3,0 сСт.

На рис. 2 показаны результаты этих испытаний. Эффект энергосбережения рассчитывался как усредненная величина изменения удельного эффективного расхода топлива при работе двигателя на испытуемом масле по сравнению с работой на эталонном минеральном масле на всех точках программы испытаний.

Таким образом, задача подбора смазочного масла для конкретного двигателя должна ставиться как оптимизационная, при которой определяется целевая функция и система ограничений.

Очевидно, что выбор целевой функции оптимизации в данном случае зависит от назначения двигателя, но для большинства типов ДВС она может быть увязана с мощностью трения как обобщающим параметром, влияющим на мощность и экономичность рабочего цикла, а также с протяженностью зон нарушения гидродинамического трения (пути трения), которые при условиях неизменности линейных скоростей перемещения, нагрузок и поверхностных характеристик рабочих поверхностей пар трения являются неким обобщающим критерием скоростей износа сопряжений трения двигателя.

2,6 2,8 3,0 3,2 3,4

Кинематическая вязкость при 200 град. С

Рис. 2. Зависимость эффекта энергосбережения моторных масел в зависимости от величины высокотемпературной вязкости

В такой постановке выражение для целевой функции оптимизации задачи подбора смазочного масла для конкретного двигателя может быть записана в виде

где Л'тр — комплекс механических потерь; Ка — комплекс пути износа; а, р — весовые коэффициенты целевой функции.

Комплекс механических потерь определяется следующим образом:

N,

Nk

k=\ iV;

где Nтp — суммарная мощность механических потерь в ЦП Г и подшипниках коленчатого вала в к-м режиме; уу.* — индикаторная (эффективная) мощность двигателя на режиме; ук — весовой коэффициент режима; Nk — количество режимов.

Комплекс пути износа определяется так:

Ка = К^т + К™\

где — комплекс пути износа в ЦПГ;

К,

ЦПГ

и,

= XY*

( I п кол ^

Ik.

к=1

И,

шп

"Р

яД,

гКП

Я Д„

основных режимов его работы в условиях реальной эксплуатации.

Весовые коэффициенты целевой функции оптимизации а и р в сумме равны единице. Конкретные их значения определяются назначением двигателя и той задачей, которая решается при подборе смазочного масла. Так, например, для малоресурсных форсированных двигателей ве-

а

ностные показатели, должна приниматься большей, допустим, — 0,8, а величина коэффициента р

теля, соответственно будет равна 0,2. Напротив, для двигателей, требующих максимального ресурса (судовые, дизель-генераторные установки), соотношение значений данных коэффициентов может быть принято обратным.

В качестве управляющего параметра целевой функции авторы настоящей статьи предлагают взять усредненный параметр кинематической вязкости, вычисляемый как

Jtf _ ^150v150 +^200v200 + ^230v230 v100

К™ — комплекс пути износа в подшипниках

коленчатого вала.

Комплексы путей износа в ЦПГ и подшипниках коленчатого вала определяются по формулам

где — длина пути трения суммарная по

всем кольцам; ход поршня; — длина пути трения в наиболее нагруженном шатунном подшипнике; Лшш — диаметр шатунного подшипника; , ВШК — то же, для наиболее нагруженного коренного подшипника; ук — весовой коэффициент режима.

Весовые коэффициенты режима ук определяются исходя из назначения двигателя и спектра

v

кости и весовые коэффициенты при 150, 200, v

при 100 °С. Диапазон температур, при которых выбираются определяющие кинематические вязкости, подобран так, чтобы он совпадал с рабочими температурами масла в основных узлах трения ДВС.

Система ограничений, накладываемая на вязкостно-температурную характеристику, определяет предельно допустимые параметры масла для обеспечения пусковых характеристик двигателя и теплоотвода от поршневых колец, достаточного для поддержания требуемого уровня надежности работы деталей ЦПГ двигателя [3].

Ограничение по низкотемпературной вязкости моторного масла целесообразно связать с условной температурой проворачиваемости коленчатого вала Г5000, т. е. температурой, при которой достигается величина кинематической вязкости масла 5000 сСт:

^5000 1 ^5000>

где rs"0oo ~~ предельно допустимая величина

условной температуры проворачиваемости коленчатого вала, обеспечиваемая пусковыми

устройствами двигателя (в частности, имеющейся мощностью стартера).

Условная температура проворачиваемости коленчатого вала Г5000 рассчитывается с использованием модифицированной зависимости для описания вязкостно-температурной характеристики (1).

Ограничение по интенсивности теплоотвода от поршневых колец связано со средней за цикл толщиной смазочного слоя в сопряжении «кольцо — втулка цилиндра» и должно гарантировать не превышение предельной температуры поршня в зоне расположения первого поршневого кольца. Это ограничение может накладываться как непосредственно по температуре поршня в этой зоне, так и по средней величине теплового потока от поршневых колец:

^пк 1 ^пк' ^пк 1 ^пк'

где Г*к, д*пк — предельно допустимые значения

максимальной температуры поршня в зоне первого поршневого кольца и минимального теплового потока, обеспечивающего работоспособность деталей ЦП Г с учетом заданных величин коэффициентов запаса.

Моделирование параметров мощности потерь и длин путей трения в ЦП Г и подшипниках коленчатого вала двигателя, а также параметров теплонапряженности поршня осуществляется с использованием модернизированного программно-методического комплекса, разработанного на кафедре двигателей внутреннего сгорания СПбГПУ. Основные положения его методик изложены в работах [3,4] и др.

Очевидно, что в связи с сугубо индивидуальными особенностями конструкции и условий работы пар трения различных двигателей невозможно дать универсальные рекомендации по выбору оптимальной вязкостно-температурной характеристики смазочного масла. Они должны разрабатываться сугубо индивидуально.

В нашей работе для иллюстрации метода подбора смазочного масла с оптимальными параметрами был взят пример разработки оптимальной ВТХ для двигателя ВАЗ-2Ю8.

Данная работа носила расчетно-эксперимен-тальный характер. На первом ее этапе была решена задача выбора моторного масла, наиболее близкого к оптимальному, исходя из выборки товарных масел различных производителей.

Целевая функция К

параметр М

Рис. 3. Результаты расчета целевой функции оптимизации ВТХ применительно к двигателю ВАЗ-2Ю8

На втором этапе был проведен сравнительный эксперимент на натурном двигателе; его целью было подтверждение правильности сделанного выбора. В эксперименте участвовали двенадцать синтетических масел различных производителей с рабочими вязкостями, соответствующими классам 8АЕ 40, 50 и 60.

При решении задачи подбора масла был взят диапазон режимов внешней скоростной характеристики при частотах вращения коленчатого вала от 1500 до 4000 об/мин, наиболее характерных для трассового движения автомобиля. Выбор весовых коэффициентов целевой функции оптимизации

Крутящий момент, Нм

65 н-1--1--1-1-1--1-

1500 2000 2500 3000 3500

Частота вращения коленчатого вала, об/мин

Рис. 4. Изменение крутящего момента двигателя ВАЗ-2108 при работе по внешней характеристике с использованием различных смазочных моторных масел

был определен как0,8 для мощностных параметров и 0,2 — для ресурсных. Вид зависимости целевой функции А'от управляющего параметра М для данного случая приведен на рис. 3.

Из полученных результатов следует, что в рамках поставленной задачи наблюдается четко выраженный минимум целевой функции оптимизации в области значения управляющего параметра М, равного 0,94. Этому значению из всей выборки рассмотренных моторных масел в большей степени отвечает синтетическое масло М ОВIЬ-18АЕ 5\У-50 (М= 0,92). При этом контроль введенных ограничений по теплонапряженности поршня и минимальной температуре проворачиваемости коленчатого вала выполнялся у всех образцов моторных масел, участвовавших в испытаниях.

Для подтверждения полученных результатов для всей выборки моторных масел была проведена серия моторных испытаний на стенде с вышеуказанным двигателем, в ходе которых измерялись параметры мощности, топливной экономичности и механических потерь при работе на различных моторных маслах. Результаты испытаний — кривые изменения крутящего момента при работе двигателя по внешней скоростной характеристике приведены на рис. 4.

Из приведенных результатов испытаний видно, что моторное масло МОВ1Ь-1 5\У-50, пока-

завшее при расчетном моделировании значение целевой функции оптимизации, близкое к минимуму, в ходе испытаний также обеспечило максимальную мощность двигателя. Напомним, что и решение задачи оптимизации в нашем случае строилось по режимам внешней скоростной характеристики.

Очевидно, что масло большей рабочей вязкости (в нашем случае — 8АЕ 5\У-50) обеспечивает лучшую защиту узлов трения от износа. Об этом, в частности, однозначно говорят проведенные авторами ранее экспериментальные исследования, построенные на базе длительных трибологических испытаний.

Естественно, при изменении параметров целевой функции оптимизации — соотношения весовых коэффициентов механических потерь, скорости износа, выборе других зон режимов работы, например приближенных к городскому циклу эксплуатации — зона оптимальности ВТХ масла должна сместиться относительно показанной на рис. 3.

Главный вывод: разработанный инструмент подбора смазочного масла для решения задачи оптимизации в рамках конкретного двигателя показал свою работоспособность и может быть рекомендован к практическому применению.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шабанов, А.Ю. Влияние высокотемпературной вязкости моторных масел на суммарную мощность трения в высокооборотных двигателях [Текст] / А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев, И.С. Кудинов // Двигателестроение,— 2009,— N° 3,— С. 29—31.

2. Шабанов, А.Ю. Новый метод определения высокотемпературной кинематической вязкости моторных масел [Текст] / А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев, И.С. Кудинов // Двигателестроение,— 2009.— М? 2,- С. 53-54.

3. Петриченко, P.M. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС: Атгоритмы прикладных программ / P.M. Петриченко, С.А. Батурин, Ю.Н. Исаков [и др.|; под общ. ред. P.M. Петриченко. — J1.: Машиностроение, 1990, 328 с.

4. Черепанов, Д.А. Расчетно-эксперименталь-ная модель изнашивания опор скольжения коленчатых валов поршневых ДВС [Текст]: дисс. ... канд. техн. наук / Д.А. Черепанов / СПБГПУ,— СПб., 2004,- 168 с.