Системы смазки и охлаждения и пуска

Основные положения.Система смазки двигателей предназна­чается для предотвращения повышенного изнашивания, перегрева и заедания трущихся поверхностей, уменьшения затраты индикатор­ной мощности на механи-ческие потери в двигателе, отвода теплоты, выделяющейся при работе трения на трущихся поверхностях, и уда­ление продуктов износа. В некоторых двигателях систему смазки используют для охлаждения днища поршня. Масло, кроме того, улучшает уплотнение поршневыми кольцами надпорш-невого про­странства и предохраняет детали двигателя от коррозии.

Условия смазки и смазочные масла для отдельных узлов и де­талей двигателя выбирают в зависимости от нагрузки на трущиеся поверхности, скорости взаимного перемещения этих поверхностей, температурной напряженности деталей, длительности их работ и других факторов. Для трущихся пар, работающих в наиболее тя­желых условиях, т. е. при высоких удельных давлениях и скоростях взаимного перемещения (подшипники коленчатого и распредели­тельного валов), необходимо обеспечить наиболее благоприятное трение — жидкостное, при котором смазочный слой имеет толщи­ну, достаточную для полного отделения друг от друга трущихся по­верхностей.

По конструктивным и другим соображениям поддержание усло­вий жидкостного трения не всегда бывает возможно и целесообраз­но, например, для пары поршень — цилиндр. С одной стороны, во­обще трудно создать устойчивую достаточной толщины пленку между поверхностями деталей, совершающих возвратно-поступа­тельное движение, а с другой — обилие смазки на стенках цилинд­ра вызывает повышенное нагарообразование в камере сгорания и закоксовывание поршневых колец. В очень тяжелых условиях ра­ботает также пара стержень — втулка выпускного клапана. При на­личии высоких температур, превышающих часто температуру кок­сования масла, эта пара почти все время работает в условиях полу­жидкостного и даже сухого трения. Ряд сопряженных поверхностей деталей двигателя совершает малые взаимные перемещения (дета­ли механизма газораспределения), работает при сравнительно ма­лых удельных нагрузках. Для таких трущихся пар достаточно обес­печить полусухое или полужидкостное трение, не опасаясь, что от­дельные выступы на трущихся поверхностях входят при этом в не­посредственное взаимное соприкосновение.

7.1. Системы смазки.

По способу подачи масла к трущимся поверх­ностям деталей двигателя различают системы смазки: разбрызги­ванием, под давлением и комбинированные (смешанные). В двига­телях, устанавливаемых на строительные и дорожные машины, при­меняют последние системы—комбинированные. В комбинирован­ных системах, в зависимости от места расположения основной ем­кости для масла, различают системы с мокрым и сухим картером. В системах с мокрым картером основная емкость для масла — нижняя часть картера (поддон).

При комбинированной системе смазки под давлением, создаваемым масляным насосом, смазываются наиболее ответственные трущиеся детали двигателя — подшипники коленчатого и распределительного валов. В некоторых двигателях под давлением также сма­зываются поршневые пальцы, толкатели, распределительные шес­терни и др. Смазка части зеркала цилиндра осуществляется струя­ми масла, вытекающими через отверстие в кривошипной головке ша­туна при совпадении его с выходным отверстием в шатунной шей­ке. Остальные трущиеся детали смазываются разбрызгиванием и самотеком.

Чтобы увеличить срок службы масла и уменьшить износ тру­щихся деталей, устанавливают фильтры грубой и тонкой очистки масла. С этой же целью забор масла из картера двигателя произ­водится через маслоприемник из верхнего, наименее загрязненного тяжелыми примесями слоя.

В двигателях с напряженным режимом работы применяют для охлаждения масла радиаторы. В качестве примера на рис. 67 по­казана схема комбинированной системы смазки с мокрым картером однорядного шестицилиндрового дизеля А-01М.

В этом двигателе подшипники коленчатого и распределительного валов, а также тол­катели, коромысла, наконечники штанг и втулка промежуточной шестерни смазываются маслом, поступающим под давлением от двухсекционного шестеренчатого насоса 1. К трущимся поверхнос­тям остальных движущихся деталей двигателя и на стенки цилинд­ров масло поступает в виде капелек и масляного тумана.

Первая секция (нагнетающая) масляного насоса предназначе­на для подачи масла под давлением 0,6—0,7 МПа в масляную ма­гистраль двигателя, вторая (радиаторная)-для подачи масла к масляному радиатору под давле-нием 0,03—0,07 МПа. Масло от механических примесей, продуктов его окисления очищается — фильтруется при помощи фильтра 3 грубой очистки и центробежно­го фильтра — центрифуги 2 тонкой очистки. Перепускной клапан 4, установленный в корпусе фильтра грубой очистки, предназначен для пропуска масла в главную масляную магистраль при пуске хо­лодного двигателя или при загрязнении фильтра. Установленный в начале масляной магистрали сливной клапан 5 отрегулирован на давление 0,3—0,5 МПа.

Рис. 66. Схема смазки дизеля А-01М

Масляный радиатор 6 при помощи пере­ключателя 7 может быть включен в масляную магистраль летом (положение а) и отключен от нее зимой (положение б).

В некоторых быстроходных форсированных двигателях, рабо­тающих в условиях пересеченной местности, для обеспечения надеж­ной смазки при любом положении двигателя; а также для борьбы с пенообразованием в картере применяют системы с сухим карте­ром. В этих системах стекающее в картер масло отсасывается из него двумя насосами в расположенный снаружи двигателя проме­жуточный бак, где оно отстаивается от пены. Из промежуточного бака специальным насосом масло подается в нагнетающий трубопровод двигателя. Систему смазки с сухим картером применяют, в частности, в дизелях Д-12.

Система охлаждения

В поршневых двигателях в процессе сгорания рабочей смеси температура в цилиндрах двигателя повышается до 2000—2800⁰ К. К концу процесса расширения она снижается до 1000—1200⁰ К, но остается достаточно высокой. В результате детали цилиндро-поршневой группы не успевают охладиться за время впуска в цилиндры относительно холодного заряда. Рассеивание тепла в окружающую среду и отвод теплоты в смазочное масло не обеспечивают пони­жение температуры деталей до желаемого уровня, поэтому требует­ся принудительный отвод теплоты от двигателя в систему охлаж­дения.

Температура стенок и головок цилиндров оказывает существен­ное влияние на индикаторные и эффективные показатели двигате­ля, а также и на его долговечность. Увеличение температуры сте­нок цилиндра и головки приводит к повышению индикаторного к. п. д., однако при этом снижается коэффициент наполнения, что приводит к уменьше­нию индикаторной мощности. Повышение температуры стенок в определенных пределах при­водит к увеличению эффективной мощности, так как при этом уменьшается мощность, затрачиваемая на преодоление трения. С повышением температуры стенок увеличивается температура мас­ла, находящегося на стенках, снижается вязкость масла и уменьша­ется трение между цилиндром и поршнем. Уменьшение потерь на трение приводит к увеличению механического к. п. д. и увеличению эффективной мощности. Эффективная мощность увеличивается до определенной температуры стенок, дальнейший рост температуры умень­шает мощность и увеличивает удельный расход топлива.

Поддержание оптимальной температуры стенок цилиндра и го­ловки с целью получения наибольшей мощности, экономичности и долговечности двигателя на всех режимах его работы должна обес­печивать регулируемая система охлаждения. Система охлаждения двигателя представляет собой комплекс устройств, предназначен­ный для принудительного (регулируемого отвода тепла от деталей двигателя и передачи в окружающую среду. Регулируемый отвод тепла обусловлен необходимостью поддержания определенного тем­пературного состояния деталей при различных режимах и условиях работы двигателя. Принудительный отвод тепла осуществляется с помощью жидкости или воздуха, в связи с чем различают системы жидкостного и воздушного охлаждения.

В системах жидкостного охлаждения теплота от горячих сте­нок цилин-дров и их головок передается в охлаждающую жидкость, которая, циркули-руя в системе, переносит теплоту в теплообмен­ник— радиатор, откуда она частично рассеивается в окружающую среду. Преимущества жидкостной системы: меньшая средняя тем­пература деталей, благодаря чему увели-чивается массовое напол­нение цилиндров, а в карбюраторных двигателях снижается еще и требование к октановому числу топлива; более легкий пуск двигателя в условиях низ­ких температур. Недостатки жидкостных систем: возможность под­текания жидкости, большая вероятность переохлаждения двигате­ля и возможность замерзания системы в зимнее время при исполь­зовании для охлаждения воды.

В системах воздушного охлаждения тепло от стенок камеры сго­рания и цилиндров отводится непосредственно потоком воздуха. Преимущества воздушного охлаждения: уменьшение времени про­грева двигателя; стабильность теплоотвода; большая надежность системы вследствие отсутствия жидкости; меньшая вероятность пе­реохлаждения двигателя; более удобная эксплуатация двигателя в зонах с недостатком воды. Недостатки систем воздушного охлаж­дения: повышенный шум работы двигателя; увеличение габаритов двигателя; повышенные требования к смазочным маслам и топливу.

Для двигателей строительных и дорожных машин большее рас­пространение имеют двигатели с жидкостным охлаждением.

Системы жидкостного охлаждения. В двигателях строительных и дорожных машин обычно применяют системы с жидкостным охлаждением. Системы могут быть открытыми и закрыты­ми. В открытых системах внутренняя полость постоянно сообщается с атмосферой, поэтому охлаждающая жидкость свободно испаряет­ся или вообще выбрасывается из радиатора при закипании, что приводит к повышенному ее расходу. В закрытых системах внутрен­няя полость изолирована от окружающей среды. При работе дви­гателя в них поддерживается небольшое избыточное давление, вследствие чего температура кипения воды повышается до 105—115° С, поэтому вероятность закипания ее при тяжелых усло­виях работы двигателя или работе при пониженном атмосферном давлении в высокогорных условиях резко уменьшается. Закрытые системы экономичнее открытых и имеют широкое распространение. Системы жидкостного охлаждения состоят из: рубашек охлаж­дения блока и головки цилиндров, радиатора, вентилятора, на­соса, устройств для температурного регулирования двигателя, во­дораспределительных труб и каналов, соединительных патрубков, сливных краников и других элементов.

На рис. 67 показана схема закрытой системы охлаждения вихрекамерного дизеля СМД-14.

Рис. 67. Система охлаждения дизеля СМД-14

Система охлаждения состоит из: во­дяного насоса 6, засасывающего охлаждающую жидкость через пат­рубок 14 из нижнего бачка 1 радиатора и подающего ее затем в во­дораспределительный канал 13 блока цилиндров; водяной рубаш­ки 8 головки блока цилиндров; вентилятора 3; водоотводной тру­бы 7; трубчатого радиатора с охлаждающими пластинами; дистан­ционного термометра 5.

Ко всем гильзам цилиндров охлаждающая жидкость подается одновременно из канала 13 через отверстия 12. Охлаждающая жид­кость, поступающая из водяной рубашки 11 блока цилиндров в во­дяную рубашку 8 головки блока цилиндров, выходит через три отверстия в головке в водоотводную трубу 7, из которой затем направляется в верхний бачок 2 радиатора. Водяные каналы в головке блока цилиндров расположены так, что в первую очередь охлаждаются ее наиболее горячие места — стенки камер сгорания и выпускных патрубков. Часть охлаждающей жидкости из блока цилиндров по патрубку 9 направляется в рубашку охлаждения 10 пускового двигателя, откуда по водоотводной трубе 7 — в радиатор. При заполнении системы жидкостью воздух выходит через отверс­тие, закрываемое пробкой 4.

В закрытых системах охлаждения для разобщения системы от окружаю-щей среды в заливной горловине радиатора или в расши­рительном бачке устанавливают паровоздушный клапан (рис. 68). Паровой клапан 2 служит

для предохранения системы ох­лаждения от разрушения при повышении в ней внутреннего дав­ления и обычно регулируется на избыточное давление в системе 0,019—0,059 МПа. При превышении этого давления клапан откры­вается и избыток пара отводится через пароотводную трубку 3 в атмосферу.

Рис. 68. Паровоздушный клапан

Через эту же трубку и воздушный клапан 1, отрегули­рованный на разрежение открытия 0,981—3,92 кПа, в систему ох­лаждения при возникновении в ней разрежения проходит воздух, предохраняя этим систему от разрушения. Разрежение в системе может иметь место при конденсации паров жидкости.

Постоянство температурного режима двигателя поддерживает­ся регули-рующими устройствами системы жидкостного охлаждения. Одна группа этих устройств—термостаты — регулирует количест­во охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор, другая воздействует на поток воздуха, проходящий через радиатор. Ко вто­рой группе относятся жалюзи или регулируемые шторки, устанав­ливаемые перед радиатором, и регулируемый привод вентилятора, изменяющий частоту его вращения, или устройство, отключающее вентилятор.

Термостаты бывают двух типов: жидкостные и с твердым наполнителем. Жидкостной термостат (рис. 69) имеет сильфон 1, заполненный лег­кокипя-щей жидкостью. Нижняя часть сильфона прикреплена к корпусу 3 с помощью кронштейна 9. Шток 11 с клапаном 7, закрепленный на верхней

Рис. 69. Жидкостный термостат

части сильфона, перемещается в направляющей 10. Во время рабо­ты непрогретого двигателя клапан 7, установленный в выходном па­трубке 12, закрыт. Охлаждающая жидкость поступает через окна а в корпус 3 по перепускному патрубку 4 к насосу, минуя радиатор. При повышении тем-пературы охлаждающая жидкость в сильфоне 1 испаряется и он удлиняется. Клапаны 7 и 5 приоткрываются, час­тично перекрывая подвод во­ды в пере-пускной патрубок 4 и открывая в патрубок 8. Охлаждающая жидкость на­чинает циркулировать через радиатор. При температуре охлаждающей жидкости 80—85° С клапан 7 открыва­ется до отказа, а клапан 5 полностью перекрывает па­трубок 4 и вся охлаждаю­щая жидкость циркулирует через радиатор. Для выхода воздуха при заливке систе­мы служат отверстия б в клапане 7. Герметизация си­стемы обеспечивается прокладками 2 и 6.

В закрытых системах охлаждения при изменении давления в си­стеме изменяется температура, при которой происходит открытие и закрытие клапанов. Этого недостатка не имеет термостат с твер­дым наполнителем. В датчике термостата находится твердое крис­таллическое вещество — церезин, который при нагревании плавится, увеличиваясь в объеме. Возникающее при этом давление через подижную систему открывает клапан и охлаждающая жидкость на­чинает поступать в радиатор.

Весьма эффективный способ поддержания постоянного темпера­турного режима двигателя — регулирование производительности вентилятора. При работе на частичных нагрузках в холодных ус­ловиях сохранение постоянной производительности вентилятора приводит к излишним механическим поте-

Рис. 70. Гидромуфта привода вентилятора дизеля ЯМЗ-740:

1—трубка подвода масла; 2, 5 — уплотнительные кольца; 3 —ступица; 4 — ведущий вал; 6 — корпус подшипника; 7 — ведомое колесо гидромуфты; 8 — кожух; 3 — ведущее колесо гидромуфты; 10 — корпус кронштейна гидромуфты; 11, 14 — манжеты; 12 — вал привода ге­нератора; 13 —шкив привода генератора; 15 — ступица вентилятора; 16 — ведомый вал

рям. Регулируемый при­вод вентилятора может быть прерывистым или непрерывным. В слу­чае прерывистого регулирования вентилятор отклюю-чается автома­тически при температуре охлаждающей жидкости ниже допус-тимо­го предела. Отключение осуществляется электромагнитной или фрикци-онной муфтой. Непрерывное регулирование выполняется гидромуфтой или поворотом лопастей вентилятора.

На рис. 70 показана конструкция гидромуфты привода венти­лятора двигателя ЯМЗ-740. Гидромуфта работает автоматически. В зависимости от температуры охлаждающей жидкости, циркули­рующей через двигатель, происходит регулирование расхода мас­ла через гидромуфту, а вместе с тем и изменение режима работы вентилятора.

Работа вентилятора может происходить по одному из трех ре­жимов в зависимости от положения крана включателя гидромуфты: 1) автомати-ческий — температура охлаждающей жидкости поддер­живается 80 — 95° С; 2) вентилятор отключен — при этом вентилятор может вращаться с небольшой частотой вращения; 3) вентилятор включен постоянно (заблокирован). Такой режим допустим лишь кратковременно в случае возможных неисправностей муфты. Дли­тельная работа вентилятора на этом режиме приводит к поломке крыльчатки гидромуфты.

Система воздушного охлаждения.

В двигателях с воздушным охлаждением тепло от горячих деталей отводится непосредственно охлаждающим воздухом, омывающим эти детали. Необходимый расход воздуха обеспечивается специальным вентилятором. Нор­мальное тепловое состояние двигателя достигается увеличением площади наружных поверхностей цилиндра и головок путем их оребрения. Для улучшения теплопередачи поток охлаждающего воз­духа должен омывать поверхности охлаждения равномерно и с до­статочно высокой скоростью. Эффективное и равномерное охлажде­ние достигается применением дефлекторов, представляющих собой направляющие устройства для подачи охлаждающего потока воз­духа к оребренным поверхностям с определенными скоростью и на­правлением. Охлаждающий поток воздуха в первую очередь следу­ет подать к наиболее горячим местам головки цилиндров: к пере­мычкам между направляющими клапанов, к свечам зажигания (в карбюраторных двигателях )или к форсункам в дизелях.

Система пуска

Пуск поршневых д. в. с., независимо от типа и конструкции, осуществл-яется вращением коленчатого вала двигателя от постороннего источника энергии. При этом частота вращения должна обес­печивать удовлетвори-тельное протекание смесеобразования, сжатия и воспламенения. Необхо-димая для начала работы двигателя часто­та вращения зависит от темпера-туры окружающего воздуха и тем­пературы самого двигателя, от способа смесеобразования и воспла­менения горючей смеси, а также от его типа и конструктивных осо­бенностей.

В зависимости от источника энергии для вращения коленчато­го вала различают следующие способы пуска: от руки, проворачи­ванием коленча-того вала пусковой рукояткой; электрическим стар­тером, питающимся от аккумуляторной батареи; вспомогательным д. в. с., пускаемым, в свою оче-редь, от руки или стартером.

Для двигателей строительных и дорожных машин малой и сред­ней мощности широко применяют систему пуска электрическим стартером. Для дизелей средней и большой мощности, кроме элек­трических стартеров, ино-гда применяют систему с вспомогательным д.в.с. На рис. 71 в качестве при-мера приведена конструкция пускового карбюраторного двигателя ПД-10М

Рис.71. Пусковой двигатель дизеля А-41М

для дизеля А-41М. Пуск в ход пускового двигателя производится электрическим стар­тером. Кроме того, предусмотрена возможность пуска его вручную при помощи вытяжного шнура, наматываемого на маховик.

К преимуществам пусковых д. в. с. следует отнести: возможность подогрева системы охлаждения основного двигателя путем цирку­ляции охлаждающей жидкости через рубашку охлаждения пуско­вого двигателя; подогрев масла в картере двигателя отработавшими газами пускового дви-гателя. Мощность пусковых карбюраторных двигателей составляет примерно 20% мощности пускаемого двига­теля. Эти двигатели выполняют как четырех-, так и двухтактными с частотой вращения вала 3500—4500 об/мин.

Пусковая частота вращения двигателей строительных и дорож­ных машин зависит от температуры окружающего воздуха и конст­руктивных особенностей двигателя. Карбюраторные двигатели вследствие наличия постороннего источника зажигания, внешнего смесеобразования при относительно легко испаряющемся топливе имеют более низкие пусковые частоты — 40—70 об/мин. Минималь­ная пусковая частота вращения вала дизеля значительно выше вследствие особенностей смесеобразования и воспламенения.

Дизели строительных и дорожных машин при температурах ок­ружающего воздуха ниже 0°С обычно не могут быть пущены без предварительного подогрева. При температурах окружающей среды 10—15° С минимальная пусковая частота вращения вала составля­ет 150—250 об/мин, причем меньшие значения относятся к дизелям с неразделенными камерами сгорания, а большие — к вихрекамерным и предкамерным двигателям. Эти же пусковые частоты вра­щения вала оказываются достаточными при более низкой темпера­туре окружающего воздуха, но при условии предварительного про­грева двигателя или наличия специальных устройств для облегче­ния пуска.

Устройства, облегчающие пуск двигателя. Для облегчения пуска двигателей применяют различные средства и устройства, которые могут быть разделены на следующие группы: а) устройства и сред­ства, уменьшающие сопротивление прокручиванию коленчатого ва­ла; б) устройства и средства, облегчающие воспламенение рабочей смеси.

К первой группе устройств относятся декомпрессоры. Декомп­рессоры сообщают в начале пуска двигателя внутренние полости цилиндров через впускные или выпускные клапаны с атмосферой. При этом уменьшается сопротивление прокручиванию вала, которое имеет место при сжатии рабочей смеси или воздуха в дизелях. В ди­зеле СМД-14 декомпрессия достигается одновременным открытием впускных и выпускных клапанов.

При низких температурах окружающего воздуха применяют для прогрева двигателей жидкостные или воздушные (для дизелей с воздушным охлаждением) подогреватели.