预测和分析的发动机摩擦功率的柴油机受发动机转速的影响,负载和润滑剂粘度

文摘

汽车工业在选择测定粘度的范式转变的发动机润滑油、粘度等级从高到低,改善车辆的燃油经济性。发动机燃油消耗是受到各种引擎组件之间的摩擦。发动机摩擦功率(FP)计算直接喷射柴油机的缸内压力信号的测量值在不同的操作条件。速度的函数,预测FP负载、润滑剂粘度,全因子实验设计(DOE)制定和实证相关开发。响应面方法(RSM)是用于分析主要参数及其交互作用,影响发动机摩擦功率显著。引擎FP的预测结果与测量值吻合较好,操作点。方差分析和RSM分析显示,影响发动机FP的重要参数是速度、负载、粘度、speed-load, speed-viscosity。的发动机润滑油粘度对摩擦的影响力量在低速柴油机是微不足道的,然而,在高速度,它发挥了至关重要的作用。实证关系发展预测FP是非常有用的在评估发动机摩擦功率的各种组合发动机速度,负载,润滑油粘度没有运行引擎。

1。介绍

发动机摩擦研究主题的研究多年。一些传统的方法像莫尔斯测试,p - v图,Willans线方法,汽车发动机测试测量摩擦被描述在文献[1]。人们普遍认为p - v图对发动机摩擦方法产生更精确的结果。总发动机机械摩擦损失由泰勒(柴油机进行了研究2和安慰3]。突出显示,大多数的机械摩擦损失在发动机的活塞环装配上散发出来,轴承,这相当于大约65%到70%的总机械摩擦损失。实现更好的燃油效率,必须集中精力减少这些摩擦损失。

研究人员广泛研究了摩擦的关键引擎组件,如活塞环装配、轴承、阀门铁路系统,和发动机驱动辅助设备(如水泵、油泵、燃料泵,等等),理论上和实验。Gligorijevic et al。4]研究了润滑剂的粘度的影响完全热身柴油机摩擦功率损耗()——包括活塞环装配(),阀的火车()和轴承()。据报道,低粘度等级的总摩擦功率损失石油(SAE 10 w-30)低于8%高粘度等级石油(SAE的20 w - 50)。活塞环装配的摩擦功率损耗降低了52%,SAE的20 w - 50, 36% SAE 10 w-30润滑剂。类似的趋势也观察到的轴承。泰勒et al。5)和Furuhama和佐佐木6]报道活塞总成的摩擦功率损耗随粘度,在那里是润滑剂动态粘度(mPa·s)和是角速度(rad / s)的引擎。泰勒(7)研究一个2.0升汽油发动机的敏感性及其组件的摩擦;表示,低粘度润滑剂级有助于减少轴承的摩擦和活塞总成。重加载轴承,据报道,摩擦功率损耗将随粘度。机油粘度对燃料消耗的影响研究了泰勒和他人;据报道,低粘度油导致低燃料消耗(8,9]。

的一些近期作品穆夫提et al。10- - - - - -12]调查引擎操作条件的影响和引擎润滑剂流变学在引擎组件功率损耗的分布水平显著。他还预测活塞环装配实际发射条件下摩擦损失的单缸汽油发动机使用表示平均有效压力(IMEP)方法,并通过实验研究验证了模型。摩擦建模tribofilm性能研究了罗山et al。13使用统计方法和响应面方法(RMS)。开发模型是基于一个长椅上摩擦计,只有相关的边界和混合润滑。Dagostino et al。14)做了深入的理论分析摩擦上压缩环和缸壁之间的相互作用考虑混合润滑(ML)政权,考虑不同的引擎操作条件下,润滑油粘度和表面粗糙度。通过仿真,推断,在高速度和低负荷条件下,液体动力润滑的摩擦是政权和润滑剂的粘度在本地区中起着重要作用。低粘度的石油展品低摩擦力高速度和低径向载荷,而高粘度具有更好的机械效率在另一侧。

从文献综述,活塞环装配和液体动力润滑轴承主要是操作政权在高速度和低负荷条件下,机油粘度起着至关重要的作用在减少摩擦,要求在液体动力润滑机制。主要因素影响发动机摩擦力量是速度、负荷、油膜厚度、油粘度,油温,摩擦引擎组件的表面形貌和类型修饰符使用。本文的主要目的是开发一个模型来预测发动机的摩擦功率发射柴油机基于重要因素(速度、负载和机油粘度)及其交互,使用响应面方法(RSM)。

2。材料和方法

实验四冲程,四缸,直接喷射,重型柴油发动机加上交流测功机和检测燃料流量计、压力传感器、角度编码器,速度传感器,温度指标,数据采集系统,等等。获得缸内燃烧压力信号压电压力传感器,Kistler 6125型,是用来计算表明平均有效压力(IMEP),指示功率和制动功率(BP)确定摩擦力量。压力传感器安装在燃烧室的第一个汽缸。压力传感器,polystable石英元素,不需要额外的冷却,因为它被专门设计的精密测量工作在高温和内燃机的压力。机油温度和冷却剂出口温度控制在90±5°C和85 - 90°C,分别在整个实验。简要说明测试引擎,用于研究,给出在表1和发动机台架如图的示意图1。

2.1。发动机润滑油

本实验研究中使用发动机润滑油如下:参考SAE 15 w-40油石油SAE 10 w-30候选人发动机润滑油都是商用,履行API CG-4性能类别水平。典型的发动机润滑油的物理特性如表所示2。发动机润滑油选择这样润滑剂都是由相同的添加剂包,但不同的粘度等级。

2.2。方法和实验设计

表示平均有效压力(IMEP)酒吧后计算测量缸内燃烧压力信号,通过使用matlab程序为每个操作点。指示功率(IP)从测量IMEP千瓦计算,制动功率(BP)千瓦测量从发动机测功器。摩擦力量(FP)千瓦操作点然后减去计算制动功率(BP)指示功率(IP),在稳态条件下对发动机润滑油。原油粘度随温度的变化可能会被忽视,因为所有实验在油和冷却液温度控制。

预测发动机摩擦功率的柴油发动机,速度的函数,负载,机油粘度,全因子实验设计(DOE)制定。统计实验设计(DOE)是一种有效的工具来优化变量的方式响应变量产生期望的结果。描述的因素及其水平表3和复制的数量被选为两个;因此共有24个实验进行。基于方差分析(方差分析)结果,重要的因素被识别和实证相关开发利用总体回归方程预测柴油发动机的摩擦功率的函数速度、负载和原油粘度。响应面方法(RSM)是用于识别的主要参数及其交互影响发动机摩擦功率在95%置信水平显著。

3所示。结果和讨论

在讨论测试结果之前,重要的是要理解摩擦力量与速度的关系,负载,膜厚度,滑油粘度,汽缸压力。目前的研究工作集中于调查摩擦功率发动机转速的函数,负载,和石油粘度和引擎组件操作主要在水动力机制(活塞环装配和轴承)被认为是对发动机摩擦功率损耗的主要贡献者。

假设活塞rings-liner一对在液体动力润滑操作政权在高转速。因此,控制方程对活塞环/班轮雷诺方程。衬套之间的水动力油膜的示意图和活塞环装配如图2。Stachowiak和后面;15)描述完整的雷诺方程为任何轴承三维欧式空间

对活塞环简化方程,通过假设一个无限长的轴承、非常小的宽度比圆周长度,圆周方向的压力梯度可以忽略;也就是说,。而且速度方向是假定为零;也就是说,和活塞速度。”“膜厚度,“是动态粘度的润滑剂;假设没有垂直流在膜厚度忽略压膜效应,通常发生在TDC BDC,即稳定膜厚度近似收益率,,雷诺方程将会减少 液体动力润滑政权,活塞环装配最小油膜厚度和摩擦功率损失是由Furuhama和佐佐木6)如下: ”“是活塞速度”,“是膜厚度”,“是动态粘度的润滑剂,““是负载活塞环。从上面的关系可能会观察到,摩擦功率损耗更受活塞速度比油粘度的影响。

Petroff方程(7,15]的轴承,在光加载条件下,给出了如下: FP是摩擦功率损耗(瓦),动态粘度润滑剂(mPa·s)合适的轴承,是发动机的角速度(rad / s),轴承宽度(米),是轴承半径(m),是轴承径向间隙(m)。它可能是观测方程的从彼托夫摩擦功率损耗变化线性与润滑剂粘度和角速度的平方。在液体动力润滑条件下摩擦功率损耗(活塞环装配和轴承)实际上是一个荷载的共同作用,活塞速度、油膜厚度和油粘度。

测试矩阵组成的因素,如速度、负载、原油粘度、响应参数和摩擦功率(FP)如表所示4对稳态条件。测试结果显示,摩擦功率响应的影响变量如发动机转速、负载和引擎润滑剂类型(粘度)。自控制的实验条件对发动机润滑油,发动机润滑油温度的影响可以忽略润滑剂都是在相同的条件下测试。

分析析因设计的主导因素与95%置信水平,一个阶乘配合使用,包括主要影响,一阶交互和二阶交互作用的方差分析表中给出了因此产生表5。为了确定之间的重要因素主要影响双向影响和三方效果,用于筛选这些参数值。值得注意的是,所有的主要影响,速度、负载、原油粘度、和2双向交互,speed-load speed-viscosity,重要参数影响发动机摩擦功率95%置信水平,所有这五个值小于0.05例。

3.1。摩擦功率预测

实证关系预测摩擦功率(FP)引擎基于下面的重要因素如下所示: (重要的是要注意,在上面的经验方程,速度rpm的输入值除以100;例如,要把10 1000 rpm和负载的输入值除以10;例如,50 Nm 5。)

数据3和4比较实验摩擦力量(FP-Exp)预测摩擦力量(FP-Pred)对发动机润滑油,也就是说,SAE 15 w-40和SAE 10 w-30。值得注意的是,预测摩擦功率值引擎润滑剂都非常接近实验值。

3.2。响应面方法(RSM)分析

3.2.1之上。速度对摩擦的影响力量

它可能是观察从数据表中给出4发动机的摩擦功率(FP)上运行的润滑剂SAE10W-30增加了4到5倍,与发动机转速的增加从1000转到2000转虽然负载保持不变在50 Nm(10 & 2运行秩序8日,22)。类似的趋势也显示引擎上运行引擎润滑剂SAE15W-40;在这种情况下摩擦功率(FP)上升到6折(参考运行秩序6日19日& 12日13)。从上面的结果,因此它可能是破译在高速度和低负载,模拟液体动力润滑条件下,发动机摩擦功率显著影响引擎的速度。

这些事实也可能说明了表面轮廓图和响应。点一个等高线图,有相同的反应,生成等高线相连的等值线的反应。轮廓图,最黑暗的区域显示的区域响应(摩擦功率)是最高的。当颜色变轻,响应降低。急性或突然变化的颜色对应于摩擦功率的突然或急剧改变。响应曲面图,另一方面,是一个三维表面图表示的功能反应和实验因素之间的关系。这两个情节可以只显示两个因素,而持有任何其他因素在一个恒定的水平,他们只是在其他条件不变的条件下有效。如果有一个持有水平的变化,响应面和等高线图变化,有时大大。数据5(一个)和5 (b)说明了FP的函数的变化速度和负载50 Nm的粘度。情节代表岭(增加摩擦功率)上升到更高的速度。粘度的影响仅仅是突出在高速、斜脊等高线图的图所示5(一个)低速,而这些山脊几乎直接指示非常少的粘度对摩擦的影响力量。

3.2.2。载荷对摩擦的影响力量

发动机负荷在发动机摩擦也起着至关重要的作用。在更高的发动机转速,2000 rpm,减少摩擦功率与增加观察负载对发动机润滑油从50纳米到350纳米,SAE 10 w-30和SAE 15 w-40(参考运行秩序2 & 22日9 & 20日,12日和13日,4和14)。这可能是解释的帮助下众所周知的事实,摩擦的贡献的比例显示输出功率降低负载的增加。以较低的速度,1000 rpm和所有三个负荷水平50,200,和350海里,是边际变化发动机摩擦功率(23和6运行订单8日15日,17日,21)两个引擎油。

见图6负载增加,从50纳米到350纳米,FP值变化的速度2000 rpm已经减少到一定程度堪比1000 rpm的速度对引擎油。轮廓和响应面图持有价值2000 rpm,如图7(一)和7 (b),山脊更倾向于在低负载,粘度影响外交政策过程中起着重要作用,但更少倾向于高负荷的350海里,代表着更少的粘度的影响和增加负载对外交政策的影响。据透露,速度2000 rpm的持有价值低粘度影响FP是更加突出在低负载但随着负载的增加FP受负载和粘度的综合效应的影响。这可能是解释这一事实油膜剪切的子层为低粘度油会更容易在高速度。随着负载的增加,负载和粘度的交互效应极大地影响摩擦力量。

3.2.3。粘度对摩擦的影响力量

在低速,粘度对摩擦功率的影响是不确定的,假定发动机可能操作在边界条件。随着速度的增加,原油粘度的作用越来越突出在影响摩擦功率的负载点(参考运行秩序2 & 12 7 & 18日4和9)。通过轮廓和RSM阴谋如图8(一个),8 (b),9(一个),9 (b),很明显,他们代表一个崛起的脊(增加发动机摩擦)表面对低负荷和高速度。在比较两个持有值之间的11个春秋国旅和14.5 cSt,故事情节说明山脊上升的斜率在15 w40石油类型是陡峭的,轮廓的范围更大。这点明了事实,虽然在较低速度,发动机摩擦显示没有变化由于改变石油的粘度等级;以高速度、低粘度油(10 w30)产生低摩擦功率比高粘度油(15 w40)。以每分钟1400转的速度,它可能从数字8(一个)和9(一个)从14.5 cSt的粘度下降。11个春秋国旅。摩擦功率减少6 - 8千瓦至4 - 6千瓦。

4所示。结论

本实验研究调查的一些重要事实摩擦功率发动机操作变量和发动机润滑油粘度的影响。摩擦功率的发动机在不同计算稳态操作分两个引擎润滑剂(SAE 15 w-40和SAE10W-30)。实证关系的基础上,显著的主要因素及其交互开发预测摩擦力量帮助在评估和选择合适的粘度、速度和负载没有运行引擎。以下几点可能从这个实验研究得出的结论。(我)方差分析结果显示,三个主要影响,速度、负荷、油粘度,及其交互作用,speed-load speed-viscosity,重要参数影响发动机摩擦置信水平为95%。(2)重要参数的基础上,开发出相应的经验相关,预测了引擎的摩擦力量。摩擦力量的预测结果与测量值吻合较好,稳态操作点。(3)等高线和RSM说明发动机摩擦功率增加大约四到六次当发动机转速增加从1000转到2000转恒定负载50 Nm。因此,影响发动机摩擦功率速度起着主导的作用。(iv)发动机摩擦功率,增加负载从50到350 Nm 2000 rpm减少3到4倍的发动机润滑油描绘它的重要性在影响摩擦力量。可能得出的结论是,在更高的速度,负载和粘度影响摩擦力量的交互效应显著。(v)在更高的速度,发动机润滑油粘度起着至关重要的作用在影响发动机摩擦功率损耗(假设水动力条件)而在低速发动机润滑油粘度对发动机摩擦功率的影响是微不足道的。

缩写

:	环的宽度
:	轴承径向间隙
:	压力梯度以及活塞环的宽度
:	活塞环的圆周方向的压力梯度
:	压力梯度膜厚度
:	膜厚度梯度沿环宽度
:	膜厚度
:	膜厚度的入口处
:	膜厚度的空化区域
:	膜厚度对应的最大压力
和:	在环的入口和出口所面临的生活压力
:	活塞的速度
:	速度环的圆周方向
:	负载的活塞环
:	动态粘度的润滑剂
:	角速度(rad / s)。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢博士m . o . Garg导演IIP乌,灵感的主要来源。作者要感谢学院提供的技术支持计算和工程、英国哈德斯菲尔德大学进行实验和Ankur帕沙克先生对他的帮助。作者还要感谢英国文化协会、英国、和科技部门,印度为批准联合项目UKIERI研究奖。

引用

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