Высокотемпературное охлаждение

Высокотемпературное охлаждение двигателя является одним из весьма действенных путей повышения эффективности жидкост­ной системы охлаждения. При высокотемпературном охлаждении температура воды на выходе из рубашки двигателя может дости­гать 120° С и более, а избыточное давление в водяной системе – более 100 кПа. Эти обстоятельства должны учитываться при конструировании элементов водяного тракта. Должны быть обеспечены повышенная прочность и надежность трубопроводов, водяных резервуаров, пайки, соединений и уплотнений.

Повышение температуры охлаждающей жидкости приводит к некоторому увеличению как индикаторного, так и механиче­ского к.п.д. двигателя. При этом износ двигателя, как правило, не увеличивается. Допустимое значение верхнего предела темпе­ратуры зависит от типа двигателя, степени его форсирования и других факторов. Существенной причиной ограничения верхнего предела температуры является возможность недопустимого раз­жижения масла, следствием чего может быть повышенный износ и снижение к.п.д. двигателя. При высокотемпературном охлаж­дении увеличивается доля тепла, отводимого отработавшими газами и рассеиваемого деталями моторной установки, в связи с чем доля тепла, отводимого жидкостью, уменьшается на 5-15%. Количество тепла, передаваемого радиатором системы охлаждения от жидкости к воздуху, пропорционально темпера­турному напору. Если при прочих равных усло­виях, (той же конструкции системы охлаждения, неизменных рас­ходе воздуха и температурах) повысить среднюю температуру жидкости (например, с 95 до 115 ^оС), то среднелогарифмический температурный напор увеличится почти в 1,5 раза. Однако полная реализация такого повышения эффектив­ности радиаторной установки невозможна без соответствующего увеличения расхода воздуха, а для этого необходимо более чем трехкратное увеличение мощности вентилятора, изменятся коэф­фициент теплопередачи и к.п.д. вентилятора, а также потре­буются существенные конструктивные переделки всей системы охлаждения.

По опытным данным при неизменном количестве рассеиваемого тепла переход на высокотемпературное охлаждение двигателя позволяет в 1,5-2 раза уменьшить габариты радиаторной уста­новки и заметно снизить потери мощности на привод вентилятора и водяного насоса.

Воздушное охлаждение

При воздушном охлаждении тепло от цилиндров двигателя пере­дается непосредственно воздуху.

Впервые созданные двигатели внутреннего сгорания имели воздушное охлаждение. Дальнейшее развитие двигателестроения привело к использованию водяного охлаждения охлаждения, так как воздушное было недостаточно эффективным. Исключение составляли авиационные и малолитражные двига­тели. В настоящее время прогресс, достигнутый в технике воз­душного охлаждения, вновь ставит вопрос о его более широком распространении.

В двигателях с жидкостным охлаждением на систему охлажде­ния приходится до 20% всех неисправностей (течи в радиаторах и местах соединений, образование накипи, трещины в водяной ру­башке двигателя, выход из строя уплотнений и т. д.)

Воздушная система охлаждения требует значительно меньше ухода, менее подвержена температурным воздействиям, конструк­тивно проще, находится в постоянной готовности к действию. Двигатели с воздушной системой охлаждения имеют меньший вес и габариты, экономичнее, значительно быстрее прогреваются. Для их охлаждения требуется на 30% меньший расход воздуха. Соот­ветственно уменьшаются и затраты мощности. Существенный не­достаток ДВС с воздушным охлаждением – повышенная шумность.

Основной задачей проектирования воздушной системы охла­ждения является обеспечение необходимой теплоотдачи от дви­гателя к воздуху при возможно меньшем расходе воздуха и ми­нимальном аэродинамическом сопротивлении.

Система смазки

Система смазки обеспечивает подачу масла к трущимся поверх­ностям деталей двигателя, хранение, очистку и охлаждение масла. В двигателях внутреннего сгорания преобладает трение сколь­жения, которое при наличии смазки принято разделять на жидкост­ное, граничное, полужидкостное и полусухое.

При жидкостном трении трущиеся поверхности полностью раз­делены слоем масла и сила трения обусловлена его вязкостью. При граничном трении поверхности разделены тончайшим гранич­ным слоем смазки и сила трения определяется молекулярным взаи­модействием между трущимися поверхностями и граничным слоем масла. При полужидкостном и полусухом трении масляный слой разрушается и на различных участках трущихся поверхностей одновременно может иметь место жидкостное, граничное и сухое трение.

Подводимое к трущимся поверхностям масло уменьшает силы трения и износ, охлаждает поверхности трения, удаляет с них продукты износа, уменьшает коррозию деталей. Потери на трение и износ минимальные при жидкостном трении. Поэтому необхо­димо так организовывать подвод масла к трущимся деталям, чтобы максимально способствовать образованию жидкостного трения.

Все моторные масла применяются со специальными присадками, обеспечивающими повышение их антикоррозийных, моющих и антиизносных свойств.

В современных двигателях внутреннего сгорания наиболее на­груженные трущиеся детали смазываются под давлением, напри­мер подшипники коленчатого и распределительного валов, иногда поршневые пальцы, толкатели клапанов. Другие детали смазы­ваются разбрызгиванием. В форсированных двигателях масло иногда используется для охлаждения днища поршня.

У двигателей с мокрым картером циркуляция масла в системе обеспечивается шестеренным насосом. Через маслоприемник с сетчатым фильтром масло поступает в главную масляную магистраль, откуда по каналам в перегородках картера, коленчатом вале и шатунах подводится к коренным и шатунным подшипникам, подшипникам распреде­лительного вала и поршневым пальцам. Остальные детали смазы­ваются разбрызгиванием. Давление, количество и температура масла контролируется при помощи манометра, маслоизмерительного стержня и термометра.

В гусеничных машинах чаще применяются двигатели с сухим картером, из которого масло откачивается в масляный бак. При системе смазки с сухим картером имеется возможность уменьшить высоту двигателя, снизить расход масла, обеспечить больший срок его службы.

Количество тепла, отводимого от двигателя циркулирующим маслом, зависит от теплового режима работы подшипников и теп­ловой нагрузки двигателя. У современных транспортных двига­телей теплоотдача в масло составляет 1,5–2% от тепла, вводимого в цилиндры двигателя с топливом. В двигателях, где масло используется для охлаждения порш­ней, теплоотдача в масло значительно больше.

Количество масла (циркуляционный расход), которое должно прокачиваться через двигатель, определяется по формуле

, (43)
где Q_м – теплоотдача в масло, r_м – плотность масла; с_м – теплоемкость масла; Dt – нагрев масла в двигателе. Средние значения этих величин обычно составляют: r_м =850 кг/м³; с_м =2 кДж/(кг-К); Dt =10-15К.

В связи с выгоранием и утечками расход масла в современных двигателях составляет 1-3% от расхода топлива. В связи с этим для обеспечения достаточного запаса хода машины в систему смазки должно быть заправлено определенное количество масла.

Для обеспечения требуемого давления масла при работе дви­гателя на любом режиме производительность масляного насоса должна быть значительно выше циркуляционного расхода

. (44)

Повышенная производительность насоса обеспечивает нормальное давление масла в системе в случае увеличения зазоров по мере износа двигателя, а также при повышении расхода масла из-за уменьшения его вязкости при высокой температуре. Избыток масла перепускается редукционным клапаном из полости нагнета­ния в полость всасывания. В системах смазки с сухим картером производительность откачивающей секции должна быть в 1,5– 2,5 раза больше производительности нагнетающей секции.

Масляные насосы.

В качестве масляных насосов применяются, как правило, шестеренные насосы с шестернями внешнего зацеп­ления. Они просты в изготовлении, надежны в работе, имеют ма­лые габариты и вес. В системах смазки с сухим картером масля­ный насос располагают обычно снаружи двигателя, что упрощает подвод масла к насосу и отвод его в бак.

Применение в насосах шестерен с косыми зубьями обеспечивает более равномерную подачу масла и плавную работу насоса. При этом необходимо, чтобы при любом угловом положении шестерен имелась контактная линия, перекрывающая всю длину зуба.

Сечение входного патрубка насоса должно обеспечивать ско­рость протекания масла в пределах 0,3-0,6 м/с, выходного – 0,8-1,5 м/с. Расчетные скорости масла в маслопроводах прини­маются равными 1-2,5 м/с.

Размеры шестерен насоса определяют исходя из его произво­дительности (в л/с)

, (45)
где D – диаметр начальной окружности шестерни в мм; h – вы­сота зуба в мм; b – длина зуба в мм; п – частота вращения ше­стерни в об/мин; h_он – объемный к.п.д. насоса. Меньшие габариты насоса заданной производительности полу­чаются при рациональном сочетании малого диаметра шестерен с большим модулем зубьев. Окружная скорость на внешнем диа­метре шестерен не должна превышать 8-10 м/с во избежание рез­кого падения h_он из-за влияния центробежных сил. Коэффи­циент подачи h_он может изме­няться в широких пределах (0,4-0,9) в зависимости от тем­пературы и вязкости масла, оборотов, давления, величины радиальных и торцовых зазоров. Для расчета можно принимать h_он = 0,7-0,8.

Мощность, необ­ходимая для привода масляного насоса, зависит от расхода масла и перепада давления между полос­тями нагнетания и всасывания:

, (46)
где h_мн =0,85-0,9 – механиче­ский к. п. д. насоса.

Очистка масла.

Надежная очистка масла от механических примесей в современных маши­нах осуществляется при помощи фильтров грубой и тонкой очи­стки.

Фильтры грубой очистки могут иметь сетчатые, пла­стинчато-щелевые, ленточно-щелевые и проволочно-щелевые филь­трующие элементы. Сетчатые фильтрующие элементы изготавли­ваются из проволоки с числом клеток от 25 до 300 на 1 см² и задерживают частицы размером до 0,1 мм. Ленточно- и пластинчато-щелевые фильтрующие элементы могут задерживать частицы раз­мером 0,04–0,09 мм.

Фильтры тонкой очистки масла задерживают частицы до 1 мкм, обладают сравнительно большим сопротивлением и включаются параллельно. Через них проходит до 10% масла, на­гнетаемого насосом. Фильтрующие элементы бывают картонные, бумажные, фетровые, с поглощающей массой. Для того чтобы к подшипникам двигателя подавалось наи­более чистое масло, целесообразно после тонкой очистки подавать масло к полости всасывания нагнетающей секции насоса. Фильтрующие элементы фильтров тонкой очистки масла после их загрязнения, как правило, к дальнейшему употреблению непригодны и заменяются новыми.

В настоящее время все более широкое применение для очистки масла находят реактивные масляные центрифуги, в которых механические частицы, загрязняющие масло, отделяются центро­бежными силами. Центрифуги обладают существенными преиму­ществами: высокая сте­пень очистки масла, фильтрующие свойства и пропускная способ­ность почти не зависят от загрязнения ротора; отсутствует необходи­мость замены элементов при периодическом об­служивании. Ротор дол­жен промываться через 200-300 ч работы дви­гателя. Центрифуга в за­висимости от ее кон­струкции и параметров может быть использо­вана как для грубой, так и для тонкой очи­стки масла, может быть включена в систему смазки последовательно или параллельно.

Хорошая очистка масла достигается при частоте вращения ро­тора центрифуги 5000-7000 об/мин и расходе до 0,17 л/с. При этом давление масла на входе в центрифугу составляет 0,4-0,6 МПа.

Охлаждение масла. Для охлаждения масла, выходящего из двигателя, используются масляные радиаторы. В настоящее время применяются два типа радиаторов: водо-масляные, в которых осу­ществляется теплообмен между маслом и жидкостью системы охла­ждения, и воздушно-масляные с обдувом атмосферным воздухом.

В системах смазки с сухим картером радиаторы обычно вклю­чают в откачивающую магистраль и располагают на пути воздуш­ного потока системы охлаждения двигателя. На случай засорения радиатора или повышения вязкости масла (в период пуска холод­ного двигателя) устанавливаются перепускные клапаны.

Преимущество водомасляных радиаторов заключается в том, что в период пуска холодного двигателя масло быстрее прогре­вается. Кроме того, водомасляные радиаторы обеспечивают более стабильную температуру масла, не зависящую от нагрузки дви­гателя и температуры окружающей среды. Недостатками этих радиаторов являются относительно больший вес, меньшая надеж­ность в работе, невозможность охлаждения масла до температуры ниже, чем температура жидкости.

Воздушно-масляные радиаторы проще и надежнее в эксплуа­тации, имеют меньший вес и способны охлаждать масло до тем­пературы ниже, чем температура жидкости системы охлаждения. Их конструкция аналогична конструкции радиаторов системы охлаждения. На транспортных машинах нашли преимущественное распространение трубчато-пластинчатые воздушно-масляные ра­диаторы.