Тепловые режимы работы агрегатов автомобилей

Оптимальное значение температур охлаждающей жидкости и моторных масел большинства автомобильных двигателей лежит в интервале 85-95⁰С. При больших или меньших их значениях существенно возрастают износы деталей цилиндропоршневой группы двигателей (рис.5.5).

Оптимальным температурам охлаждающих жидкостей и масел соответствуют оптимальные значения температур поверхностей теплонагруженных деталей. При их превышении может произойти оплавление алюминиевых деталей, образующих камеру сгорания, интенсифицируются процессы коксования моторных масел, образования лаковых отложений на поверхностях и т.д. Из-за разжижения масел повышаются износы цилиндров. Кроме этого, растет токсичность отработавших газов по выбросам оксида азота NO_x.

Рис.5.5. Зависимость относительной скорости изнашивания цилиндров карбюраторного и дизельного двигателей от температуры охлаждающей жидкости (по данным НАМИ): 1 – карбюраторный; 2 - дизельный

При пониженных температурах стенок деталей цилиндропоршневой группы интенсифицируются процессы их корозионно-механического изнашивания, так как на поверхностях конденсируются пары воды и кислот, образующихся в отработанных газах. Оксиды в дальнейшем очень быстро истираются, поскольку их износостойкость на порядок ниже износостойкости основных материалов деталей двигателя. Увеличение износов при этом объясняется также тем, что холодные моторные масла не образуют на трущихся поверхностях масленых пленок должного качества.

Одним из основных резервов повышенных показателей эксплуатационной надежности двигателей внутреннего сгорания является снижение нагаров, лаков и осадков на поверхностях деталей. В основе их образования лежат процессы старения моторных масел, а именно, процессы окисления углеводородов, входящих в состав масляной основы.

Определяющее влияние на процессы окисления масла в двигателях, на образование отложений и на эффективность работы ДВС в целом оказывает тепловой режим теплонагруженных деталей. Оптимизация теплового состояния является одним из важнейших условий длительной и бесперебойной работы ДВС.

Отложения на поверхностях деталей ДВС делятся на три основных вида: нагары, лаки и осадки (шламы).

Нагар – твердые углеродистые вещества, откладывающиеся во время работы двигателя на поверхностях камеры сгорания. В состав нагара входят продукты окисления углеводородов (смолы, асфальтены, карбены, карбоиды), а также так называемая несгораемая часть – свинец, железо и другие механические примеси. При этом отложения нагаров в камерах сгорания главным образом зависят от температурных условий, даже при аналогичном составе смеси и одинаковой конструкции деталей камеры сгорания двигателей. Нагар оказывает весьма существенное влияние на протекание рабочего процесса и на долговечность его работы. Почти все виды ненормального сгорания (детонация, калильное зажигание и прочие) сопровождаются тем или иным влиянием нагара на поверхностях камеры сгорания.

Лак – продукт изменения (окисления) тонких масляных пленок, растекающихся и покрывающих детали двигателя под действием высоких температур. Лаковые отложения – продукт концентрации оксикислот. В состав лака входит углерод (до 80%), а также кислород, водород и твердые несгораемые соединения (зола).

Наибольший вред наносит лакообразование в зоне поршневых колец, вызывая процессы их закоксовывания. Лаки, также откладываясь на поверхностях поршня, контактирующих с маслом, нарушают должную теплопередачу через поршень (теплоотвод от него) и далее в систему охлаждения.

Осадки (шламы) – низкотемпературные мазеобразные отложения, представляющие собой смесь продуктов окисления углеводородов с продуктами загрязнения моторного масла эмульсиями и водой. На количество осадков решающее влияние оказывают качество масла, температурный режим деталей, конструктивные особенности двигателя и условия эксплуатации. Отложения этого типа наиболее характерны для условий зимней эксплуатации, а также при частых пусках и остановках двигателя.

При температурах масел от 150 ° С и выше процессы окисления происходят очень интенсивно. Когда температура превышает 300 ° С, одновременно с реакциями окисления происходит термическое разрушение углеводородов масел. В результате окисления и термического распада в маслах интенсивнее накапливаются органические кислоты, смолисто-асфальтовые вещества, углеродистые продукты (карбены, карбоиды и др.)

Таким образом, определяющее влияние на процесс образования различных отложений, а также на прочностные показатели деталей, эффективные показатели, процессы изнашивания деталей оказывает их тепловое состояние. В этой связи необходимо знать пороговые значения температур деталей ЦПГ, по крайней мере, в характерных точках.

Тепловое состояние деталей цилиндропоршневой группы принято анализировать по значениям температур в четырех характерных точках (см. рис.5.6).

Значения температур учитываются в них при производстве, испытаниях и доводке ДВС для оптимизации конструкций деталей, при выборе для двигателя моторного масла, в целом ряде решения других технических проблем.

Рис.5.6. Характерные точки цилиндра и поршня ДВС

при анализе их теплонапряжённости для дизельных (а) и бензиновых (б) двигателей

Итак, значения температур в характерных точках деталей цилиндропоршневой группы имеют некоторые критические уровни:

1. Максимальное значение температур в точке 1 (в дизелях – на кромке камеры сгорания, в бензиновых двигателях – в центре донышка поршня) не должно превышать 350 ⁰С для всех серийно применяемых в двигателестроении алюминиевых сплавов, иначе происходит оплавление кромок камер сгорания в дизелях или прогар поршня в бензиновых двигателях.

В практике автомобилестроения это критическое значение температуры удается повышать путем добавки в сплав кремния.

Недопущения превышения критических значений температур в этой точке, равно как и во всех объемах деталей двигателя внутреннего сгорания, обеспечивается также путем оптимизации их форм и грамотной организацией охлаждения.

Превышение температур деталей двигателя обычно является основным тормозом для форсирования их по мощности. По температурным уровням к тому же следует иметь определенный запас с учетом экстремальных условий эксплуатации.

2. Критическое значение температур в точке 2 поршня (над верхним компрессионным кольцом) – 250-260 ⁰С (кратковременно до 290 ⁰С). При превышении этой величины все массовые моторные масла коксуются, что приводит к “залеганию” поршневых колец, потери их подвижности, в результате к существенному уменьшению компрессии, расходу масла со всеми вытекающими отсюда последствиями. Масляный кокс представляет собой некий симбиоз лака и нагара.

Если пропала компрессия, проверьте или герметичность клапанов газораспределительного механизма, или место прогара прокладки между головкой и блоком цилиндров, или цилиндропоршневую группу на предмет износа деталей или «залегания» колец. Последнее будет очевидным, если при заливке в цилиндры через отверстия для свечей или форсунок порции моторного масла (50-70г) компрессия увеличивается (масло загерметизирует зазоры). В настоящее время для «раскоксовывания» поршневых колец успешно применяют соответствующие автомобильные химические препараты, например из семейства «Аспект-модификатор».

3. Предельное максимальное значение температуры точки 3 поршня (расположена симметрично по срезу головки поршня на внутренней его стороне) – 220 ⁰С. При больших температурах на внутренней поверхности поршня происходит интенсивное лакообразование. Лаковые отложения, в свою очередь, являются мощным тепловым барьером, препятствующим теплоотводу через масло. Это автоматически приводит к повышению температур во всем объеме поршня, а значит и на поверхности зеркала цилиндра.

4. Максимально допустимое значение температур в точке 4 (на поверхности цилиндра, напротив места остановки верхнего компрессионного кольца (ВКК) в верхней мертвой точке) – 200 ⁰С. При его превышении масло разжижается, что приводит к потере стабильности образования масленой пленки на зеркале цилиндра, а значит будет происходить так называемое «сухое» трение колец по зеркалу. Это вызывает интенсификацию молекулярно-механического изнашивания деталей цилиндропоршневой группы.

На современных спортивных и ряде респектабельных автомобилей конструкцией предусмотрен постоянный анализ температуры в точке 4, расположенной в объеме цилиндра на глубине 1-1,2мм от зеркала. Это вполне оправдано, так как при начинающемся задире кольца значение температуры здесь резко поднимется, и практически мгновенно по показанию прибора на панели (или звуковому зуммеру) можно среагировать на эту неисправность, выключив двигатель, сохранив его от серьезного отказа. По показаниям датчика температуры охлаждающей жидкости у быстроходных двигателей сделать это невозможно.

В качестве датчиков температур обычно используются термопары или термосопротивления. Принцип измерения температур с использованием термопар основан на изменении силы тока в электрической цепи при нагревании спая различных металлов, например, хромель и копель, хромель и алюмель. У термосопротивлений при их нагревании изменяется сопротивление цепи. Эти сигналы преобразуются и регистрируются соответствующими приборами, в том числе на панели приборов, или координируют команды бортового микропроцессора.

Характер изнашивания цилиндров двигателя внутреннего сгорания весьма своеобразен. Внешний вид эпюры изнашивания показан на рис.5.7. В процессе эксплуатации на зеркале цилиндра, образуется характерный буртик в точке «А», напротив места остановки верхнего компрессионного кольца в верхней мертвой точке, который легко ощущается пальцем руки.

Относительно большое изнашивание в верхних поясах цилиндра объясняется, в частности, действием горячих газов и нарушением стабильности масляной пленки при пуске и прогреве двигателя, особенно в холодное время. Именно на долю пусков и прогревов приходится до 60% от всего изнашивания деталей двигателей. Износ во время пуска двигателя при температуре минус 18 0С приравнивается к износу за 210 км пробега автомобиля. Другими словами, если правильно производить предпус- ковую подготовку, пуск и прогрев двигателя, то можно существенно повысить его ресурс (до 1,5 - 2 раз).

Рис.5.7. Характер изнашивания зеркала цилиндра ДВС

В преобладающем большинстве в рекомендациях по проведению прогрева автомобильных двигателей говорится о том, что прогрев необходимо производить исключительно в щадящих режимах. Это значит, что после пуска двигателя надо поработать на холостом ходу (на оборотах 1,2-1,3 от минимальных оборотов холостого хода) до достижения температуры охлаждающей жидкости 40 ⁰С, далее начинать движение на пониженных передачах до достижения температуры жидкости 80 ⁰С. Только после этого можно переходить на повышенные передачи.

Вместе с тем в обстановке постоянного дефицита времени ждать не всегда удобно. Большинство автовладельцев сразу начинают движение в холодном режиме, лишь бы автомобиль ехал. Насколько это вредно? Ряд экспериментальных исследований, напротив, говорит о полезности такого метода прогрева: из-за более жесткого режима нагрузок двигатель прогревается существенно быстрее, и суммарный износ деталей в итоге меньше. Таким образом, сразу же после пуска двигателя надо начинать движение, но без максимальных нагрузок. Необходимо, как можно быстрее добиться, чтобы значение температуры охлаждающей жидкости достигло уровня 80 ⁰С. При этом двигатель прогревается существенно быстрее. Оказывается, что износ деталей двигателя при этом меньше, чем при предыдущем способе прогрева.

Для уменьшения времени прогрева используется ряд мероприятий. Это утеплительные чехлы решетки радиатора, жалюзи, отключающиеся вентиляторы системы охлаждения, уменьшение лопастей вентилятора охлаждения в зимнее время. Весьма полезен и предпусковой подогрев двигателей, но это тема других учебных курсов.

Для предотвращения перегрева охлаждающей жидкости, моторного масла и двигателя в целом в конструкции его предусмотрен термостат. Он обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости через радиатор при высоких значениях ее температуры, т.е. циркуляцию по так называемому “большому кругу”. В этой связи не обосновано опасение, что при наличии термостата зимой есть вероятность размораживания радиатора. У термостата для обеспечения циркуляции необходимого количества жидкости через радиатор имеется специальное перепускное отверстие.

Вместе с тем удаление термостата из системы приводит к недопустимо завышенному времени прогрева двигателя, особенно зимой. Уже в начале работы открыт «большой круг» циркуляции жидкости, тогда как с термостатом «большой круг» до температуры жидкости 80 ⁰С лишь незначительно приоткрыт.

В настоящее время большинство транспортных средств России проектируются для условий эксплуатации в умеренной климатической зоне. Расчетное значение температур окружающего воздуха принимается в интервале от –45 ⁰С до +50 ⁰С. При завышенных или заниженных значениях температур окружающего воздуха условия работы агрегатов автомобилей жестче. В случае повышенных значений температур окружающего воздуха наблюдаются специфические отказы, вызванные ухудшением физико-механических свойств конструкционных автомобильных материалов. Однако эксплуатация автомобилей в жарком климате сопряжена с меньшими трудностями, чем в условиях пониженных температур. В этих зонах температурный режим деталей и прочих агрегатов двигателя значительно ниже оптимального. Например, при температуре окружающего воздуха ниже –30 ⁰С, температура масла в главной передаче не поднимается выше +20 ⁰С; при температуре окружающего воздуха ниже –40 ⁰С, температура масла там вообще не поднимается выше 0 ⁰С.

Таким образом, при обеспечении работы автомобильного двигателя в оптимальном тепловом режиме существенно продлевается срок его службы и экономится топливо. Весьма полезен предпусковой подогрев двигателя, утепление моторного отсека в зимнее время. При коротких остановках двигатель глушить не рекомендуется.

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ АГРЕГАТОВ АВТОМОБИЛЕЙ

Наиболее чувствительным агрегатом к изменению условий движения автомобиля является двигатель, что приводит к изменению его режимов работы. Вместе с тем, режимы работы двигателя во многом определяют режимы работы прочих агрегатов и конструктивных элементов автомобиля.