5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Влияние температурного режима на работу двигателя

Тепловой режим автомобильного мотора

При сгорании горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) выделяется тепло. Критические температуры, при которых возможно повреждение термически нагруженных деталей:

Контролируемые точкиТемпература, °C
Донышко поршня350
У канавки верхнего компрессионного кольца250 — 260
На внутренней поршневой поверхности (под камерой сгорания)220
Цилиндр против верхнего поршневого кольца в момент окончания хода сжатия200

Температура жидкости в системе охлаждения задается в пределах — 80 — 90°C. Она поддерживается конструктивно: термостат, радиатор, включающийся по сигналу температурного датчика вентилятор принудительного охлаждения. Моторное масло при этом нагрето несколько выше — в среднем до 90 — 100°C.

Функции масла и режимы смазывания

Моторное масло выполняет следующие задачи:

  • отводит тепло от зоны трения, способствуя снижению рабочей температуры;
  • уносит механические частицы, предотвращая абразивный износ;
  • нейтрализует агрессивную среду, препятствуя коррозионному изнашиванию;
  • сдерживает прорыв газов, уплотняя рабочую камеру.

Существует 2 основных вида масляного взаимодействия: граничное и гидродинамическое.

  1. При первом режиме смазка поступает к трущимся поверхностям без напора и смачивает их, сокращая износ. Смазывающий продукт непрерывно обновляется разбрызгиванием или с помощью форсунок. Таким способом смазываются: шатунно-поршневая группа (включая поршни с кольцами), зубчатая цепь, рокеры, клапаны и ряд других деталей.
  2. Гидродинамическое смазывание — когда смазывающая жидкость подается в область трения от напорного маслонасоса. При этом образуется масляный клин, заставляющий внутреннюю деталь «всплывать» на масляной пленке, благодаря чему между поверхностями образуется зазор, исключающий прямой механический контакт. Пример — смазка подшипников коленчатого и распределительного вала.

Роль вязкости смазочных масел

Одной из характеристик моторного масла является его динамическая вязкость, измеряющаяся в сантистоксах. Этот параметр оказывает влияние на долговечность работы автомобильного двигателя и обычно указывается в мануале транспортного средства.

Кроме технических особенностей мотора на выбор вязкости смазочного материала оказывают и сезонные температуры эксплуатации. С повышением температуры вязкость масла уменьшается, с понижением — увеличивается. Поэтому для зимы она должна быть меньше, для лета — больше.

В наиболее используемых всесезонных маслах содержатся специальные компоненты — вязкостные присадки, призванные обеспечить требуемую вязкость при повышенной температуре. Кроме того, необходимо поддерживать в определенных пределах и рабочую температуру масла.

Негативные явления в ДВС из-за нарушений теплового режима

Причиной старения моторного масла являются окислительные процессы элементов углеводородной группы, происходящие в масляной основе. При этом выделяются продукты реакции в виде различных отложений: нагары, лаки, шламовые осадки. Наибольшее влияние на это оказывают температурные условия.

Нагар — это твердая субстанция в виде сажи, являющаяся продуктом окисления углеводородов. Сюда же входят несгоревшие элементы топлива (железо, свинец), а также различные механические примеси. Нагар вызывает всевозможные нарушения нормального рабочего процесса (детонацию, калильное зажигание и некоторые другие).

Лак — результат окисления масляной пленки, покрывающей контактирующие поверхности, под действием высокой температуры в камере сгорания. До 80% его объема занимает углерод, остальное — кислород, водород и зола. Лаковое покрытие ухудшает теплопередачу через масляную пленку и приводит к опасному перегреву поршня и цилиндра. Наиболее опасно отложение лака в поршневых канавках, приводящее к залеганию колец вследствие «коксования». Последнее представляет собой симбиоз нагара и лаковой пленки.

Шламы — смесь продуктов низкотемпературного окисления углеродных соединений с водными и эмульсионными загрязнениями. Причинами их возникновения являются: недостаточная температура двигателя, низкое качество масла, особенности конструкции мотора, а также режим эксплуатации.

Оптимальная температура смазочной жидкости

Советские ученые из НАМИ определили наиболее благоприятную температуру работающего двигателя, при которой износ деталей является минимальным. Как для карбюраторных, так и для дизельных моторов нужно, чтобы температура масла в нормально работающем двигателе находилась в интервале 70 — 80°C.

Для достижения указанных значений охлаждающая жидкость на современных двигателях в нормальных условиях эксплуатации не нагревается выше 80 — 90°C. С учетом этого, оптимальной температурой масла считается 90 — 105°C, или на 10 — 15 градусов горячее охлаждающей среды.

Недостаточная рабочая температура

Если масло холоднее 90°C, эффективность работы двигателя снизится, с одновременным уменьшением его ресурса. Поршневые юбки, охлаждаемые смазывающей жидкостью, расширятся меньше, чем при расчетной температуре.

Из-за увеличения тепловых зазоров между поршнем и цилиндром уменьшится компрессия, а значит — снизится эффективность рабочего процесса. Кроме того, смазка начнет разбавляться горючим, что приведет к образованию сажи и увеличению расхода топлива.

Еще одним негативным следствием недостаточно нагретого масла является выделение кислот из отходов рабочего процесса. В цилиндрах двигателя всегда присутствует влага, попадающая с атмосферным воздухом. При нормальном температурном режиме вода почти полностью испаряется.

Когда масло недостаточно горячее, условия для образования кислот становятся благоприятными. Кислотные составляющие способны реагировать с легкими металлами, в результате чего двигатель не прослужит ожидаемого срока.

Чем опасен перегрев масла

Избыточный нагрев смазочной жидкости намного опаснее предыдущего случая. До того как рабочая температура масла не выходит из допустимых границ, детали, работающие в гидродинамическом режиме смазывания (шатунные и коренные шейки коленвала), не имеют механического контакта между собой.

После нагрева масла выше 105°C, вязкость его уменьшается, и оно становится более текучим. При этом под действием нагрузки масляный зазор теряет свою несущую способность, и взаимодействующие детали вступают в соприкосновение.

Читать еще:  Что такое компенсатор в двигателе ваз

С этого момента за счет трения начинают разогреваться трущиеся детали, а тепловой зазор между ними сокращается. Повышающаяся температура масла приводит к его окислению, теоретически это можно выявить с помощью лабораторного анализа. Когда масло нагревается выше 125°C, оно становится настолько текучим, что просачивается сквозь маслосъемные кольца и проникает в рабочую полость цилиндра, где и происходит его угар.

Из-за увеличивающегося расхода масло приходится доливать, при этом все масляные присадки обновляются, и результаты анализа оказываются недостоверными. Двигатель начинает усиленно изнашиваться, но это часто списывают на плохую работу смазочной системы.

И только после поломки мотора можно обнаружить, какая причина способствовала печальному исходу. При масляном голодании был бы поврежден маслонасос, а на поршнях могли быть задиры. А в этом случае насос исправен, но задраны шейки коленвала.

Заканчивая статью, хотелось бы посоветовать водителям, желающим сохранить здоровье своего железного «коня», не допускать длительной езды на больших оборотах, следить за температурой моторного масла, своевременно производить его замену и заливать проверенный продукт с рекомендованной автопроизводителем вязкостью.

Надежность автомобиля

Влияние теплового состояния двигателя на износ деталей ЦПГ

Одним из важнейших показателей теплового состояния двигателя является тепловая напряжённость, определяемая температурой наиболее «горячих» поверхностей трения, температурными перепадами наиболее нагретых частей двигателя – камер сгорания, днищ поршней, верхней зоны цилиндров, тарелок выпускных клапанов, перемычек в блоке и головках блока. Стенки цилиндров в зоне перемещения поршневых колец имеют средние температуры 100…130°C и наибольшие предельные – 170…180°C, а для двигателей с воздушным охлаждением – на 30…40°C выше; днища поршней из алюминиевых сплавов соответственно нагреваются до 240…260°C; центральная зона тарелок впускных клапанов имеет температуру соответственно 180…275 и 300…400°C, а выпускных – 600…700 и 800…850°C. Перечисленные диапазоны температур для различных деталей характерны для двигателей при нормальных условиях работы, при использовании надлежащих сортов топлив и масел, при соответствующих техническим условиям регулировках и т.д. В условиях же реальной эксплуатации зачастую имеют место значительные отклонения температур от указанных выше пределов.

От совершенства рабочего процесса, особенно в дизельных двигателях, в большой степени зависит образование отложений нагара и лака на деталях ЦПГ: в частности, закоксовывание поршневых колец с потерей ими подвижности, что обычно приводит к задирам сопряжённых с ними гильз цилиндров. Кроме того, по мере эксплуатации двигателей за счёт нагарообразования на днищах поршней и стенках камеры сгорания, возможны некоторое увеличение степени сжатия и ухудшение отвода тепла, а следовательно, и вероятности возникновения детонационных явлений, имеющих место при сгорании топлива не только в карбюраторных двигателях, но и в дизельных (главным образом, при работе их на лёгких сортах топлива и больших углах опережения впрыскивания топлива), во время которых особенно резко увеличиваются механические и термические нагрузки на детали, и повышается их изнашивание. При работе двигателя с детонацией значительно возрастает и температура верхней части гильз цилиндров, достигая 190…200°C и выше при полной нагрузке.

Оптимальные значения температур работы двигателя

Известно, что оптимальные значения температур охлаждающей жидкости и картерного масла для большинства автомобильных двигателей составляют 80…90°C. При пониженной температуре стенок цилиндров возникает коррозионно-механическое изнашивание, а также смывание масляной плёнки, образующейся топливной эмульсией. Согласно, при температуре воды в системе охлаждения, равной 30°C, износ двигателя в 6 раз больше, чем при температуре 80°C. На значения температур большое влияние оказывают режимы работы двигателя.

Р.В.Кугель показал, что износ цилиндров двигателей ЗИЛ при холодных стенках был в среднем в 8 раз больше, чем при испытаниях двигателей в горячем состоянии. Он отмечает, что при температуре стенок цилиндров менее 60°C имеет место коррозионный износ цилиндров, который незначителен при их температуре более 80°C. В этих условиях решающее влияние на изнашивание деталей ЦПГ оказывают прокачиваемость масла, своевременность его поступления к поверхностям трения и создание прочной масляной плёнки.

Коррозия стенок гильз цилиндров

Коррозия стенок гильз цилиндров возникает не только в период пуска и прогрева двигателя, но и при его охлаждении. Время охлаждения до температуры окружающей среды прогретого двигателя около 2…2,5ч в летних и 1ч в зимних условиях. Это время характеризуется наибольшей интенсивностью образования коррозии на стенках гильзы цилиндра. При последующих пусках плёнка коррозии разрушается, а продукты коррозии участвуют в трении как абразив.

Авторы расценивают износы в процессе холодного пуска, прогрева и остановок двигателя как важнейшую составляющую всех эксплуатационных износов, приравнивая, например, износ во время пуска при температуре -18°C к износу за 180-210 км пробега автомобиля.

Изнашивание само по себе также приводит к изменению теплового и температурного состояния деталей ЦПГ. Так, установлено, что температура цилиндров в верхней части, где имеют место максимальные износы гильз, при достижении ДВС предельного состояния увеличивается на 25-30°C со стороны рабочей поверхности и на 9-12°C со стороны рубашки охлаждения (напротив зоны максимальных износов). Соответственно с обеих сторон возрастает температура в нижней части цилиндра – на 10-15 и 4-5°C. В целом температура гильз со стороны охлаждаемой поверхности изменяется меньше (в пределах 8-15°C), чем со стороны зеркала цилиндра (на 20-40°C), что связано с перераспределением тепла по телу гильзы и более интенсивным его отводом в систему охлаждения с нерабочей поверхности. Причём разница в тепловых состояниях цилиндра увеличивается с ростом температуры гильзы. Такое явление объясняется тем, что увеличение частоты вращения коленчатого вала и нагрузки приводит к росту как абсолютных значений температур, так и теплоперепадов, а перепады температуры, в свою очередь, вызывают тепловые деформации гильз по образующей, что иногда имеет более опасные последствия, чем чрезмерно высокие или низкие температуры. Это обусловливается, прежде всего, ростом средних температур рабочего цикла и сокращением времени на теплоотвод от нагретых поверхностей в охлаждающую среду. Исследования показали, что перепады температур поверхностей гильз цилиндров в зависимости от режима работы двигателя сохраняются при любой степени его изношенности.

Читать еще:  Как установить двигатель на откатные ворота

9.5. Влияние температуры на срок службы изоляции. Эквивалентирование тепловых режимов

Анализ температурных режимов двигателей в задачах электропривода в большинстве случаев направлен на обоснование упрощенных методов и инженерных приемов предварительного выбора мощности двигателей и проверки по условиям нагрева. Под допустимым тепловым режимом следует понимать такой режим, при котором срок службы изоляции будет не меньше заданного. В процессе эксплуатации двигателя идет непрерывный износ изоляции, связанный с ее нагреванием, и темп этого процесса определяется характером температурного режима.

Кроме того, в процессе нагревания температура изоляции двигателя не должна превосходить предельно допустимого значения даже кратковременно, так как в этом случае происходит ее разрушение.

В тех случаях, когда двигатель работает при неизменной температуре изоляции, оценить скорость процесса старения изоляции или срок службы сравнительно несложно. Известны зависимости, связывающие срок службы изоляции данного класса -время, в течение которого сохраняются заданные диэлектрические свойства, с определенным постоянным уровнем температуры в течение срока службы. На рис. 9.17приведены графики этих зависимостей для некоторых классов изоляции.

Рис. 9.17.Зависимости срока службы изоляции от температуры: а -логарифмический масштаб; б—натуральный масштаб (фрагмент)

Рис. 9.18.Характер зависимости скорости старения изоляции от температуры

Чаще всего зависимость срока службы от температуры аппроксимируется экспонентами вида

(9.78)

где R постоянный коэффициент;— функция, определяемая классом изоляции.

Полезно помнить простое эмпирическое правило, гласящее, что срок службы изоляции уменьшается вдвое при увеличении рабочей температуры на 8-10°С.

В большинстве практических случаев режимы работы электрических машин таковы, что температура изоляции в процессе работы не остается постоянной. Ее изменения могут быть большими или малыми, однако во всех случаях непосредственно воспользоваться графиками рис. 9.17для оценки допустимости теплового режима нельзя. При анализе влияния переменной температуры на срок службы изоляции удобно ввести в рассмотрение величину, обратную сроку службы — скорость старения изоляции при данной температуре.График скорости старения изоляции показан на рис. 9.18.

Примем допущение о том, что скорость старения изоляции определяется температурой только в данный момент, и рассмотрим график d(t), соответствующий приведенному на рис. 9.19 графику изменения температуры.

Анализируя графики иd(t)(рис. 9.19),отметим, что средняя скорость старения изоляцииоказывается выше, чем она была бы при неизменной температуре. Это связано с тем, что при положительном отклонении температуры от средней на отдельных участках скорость старе­ния возрастает больше, чем снижается при таком же отклонении температуры от.

Рис. 9.19.Построение графика d(t)

Средняя скорость старения изоляции является удобным показателем, достаточно точно характеризующим данный тем­пературный режим. Действительно, принимая во внимание, что периоды колебаний температуры намного (на пять-шесть порядков) меньше срока службы изоляции, скорость старения dcpизоляции принимает установившееся значение за времяT 2 <0>есть3 2 , так как все отклонения одинаковы и равны3. Воспользуемся теперь выражением (9.84)для количественной оценкиdcp, для указанных режимов принимаемk = 14С,2 =3 =10°С и получаем

Рассмотренный пример позволил проиллюстрировать влияние колебаний температуры на ухудшение условий работы изоляции, на увеличение скорости ее старения. Так, при одинаковой средней температуре во всех трех режимах скорость старения для режимов, показанных на рис. 9.20,бив, существенно выше. Вместе с тем при одинаковом размахе колебанийв этих режимах скорость старения для режима, показанного на рис. 9.20,в, выше. Это определяется характером изменения кривой (t) (рис. 9.20,в), имеющей более длительные участки с максимальными отклонениями от средней температуры, чем для случая рис. 9.20,6.Нетрудно представить ситуацию, когда для двух сравниваемых режимов напряженней в тепловом отношении окажется режим, имеющий меньшее среднее значение температуры, но сравнительно большие колебания темпера­туры. В связи с этим ясно, что при оценке теплового режима двигателей пренебрежение без достаточных оснований колебаниями температуры может привести к неправильным выводам.

Оценим приближенно уровень  2 <>,при котором скорость старения изоляции возрастает не более чем на 5%по отношению к скорости, определяемой средней температурой. Для этого восполь­зуемся по-прежнему выражением (9.84)и при k = 14°С запишем

(9.85)

Поскольку при данном наибольшем отклонении температуры от среднего значения наибольшее 2 <>соответствует рис. 9.20,в, то из (9.84)следует, что еслидля любого режима (приk = 14°С) меньше.

Полученная с помощью (9.84)оценка позволяет конкретизировать понятие малости колебаний температуры. Такими отклонениями можно считатьтs; 4,5°С, как приводящие к снижению срока службы не более чем на 5%,что лежит в пределах точности принятой модели.

Читать еще:  Гул двигателя на холостых причины

Рассмотренная модель старения изоляции и влияние на среднюю скорость старения изоляции характера температурного режима позво­ляют применять соотношение (9.84)для сравнения различных темпера­турных режимов. Так, пусть одному режиму работы двигателя соот­ветствуетcp=cp1; 1 2 <>=2 2 <>,а другому -ср2;2 2 <>. Тогда они эквивалентны в тепловом отношении по их влиянию на старение изоляции, еслиdср1=dср2или

(9.86)

При cp1cp2 (9.86)удобнее использовать, когда разложениеd() записано относительно одной из средних температур. Если сравниваются режимы с одинаковыми средними температурамиcp1=cp2и для одной и той же изоляцииk1=k2, то (9.86) упрощается иdcp1=dcp2, если

(9.87)

Обратим внимание еще раз на то, что одинаковое влияние температурных режимов на скорость старения изоляции не пред­полагает равенства 1(t) =2(t). Более того, применить (9.86)можно и тогда, когда один или оба режима случайны с известными средними и среднеквадратическими<>.

Используем соотношение (9.73),связывающее потери и температу­ру, для записи соотношения эквивалентности тепловых режимов двигателей непосредственно через потери. Для этого подставим (9.73)в(9.84)с учетом того, чтоср=среды +ср, а изменение температуры изоляции определяется только изменениемt, так каксредыпринята постоянной, и поэтому 2 <>= 2 <т>.

В результате получим

(9.88)

Это общее выражение предполагает известным сравнительно небольшое количество данных о параметрах двигателя (A, С), режима потерь (Рср,Tр), об охлаждающей среде (среды) и кривойT() (k). Оно позволяет рассмотреть частные случаи эквивалентности тепловых режимов.

Пусть, например, в сравниваемых режимах одинаковы средние температуры:

(9.89)

Тогда из (9.89)следует, что режимы в тепловом отношении экви­валентны, если

(9.90)

так как A1 2 Tн1 2 =A1 2 Tн2 2 = С 2 даже при А1А2ввиду постоянства теплоемкости С.

Итак, если влияние переменной составляющей на скорость старения изоляции мало или выполняется соотношение (9.90), то эквивалентность двух режимов двигателя в тепловом отношении определяет соотношение между средними темпера­турами изоляции в виде

(9.91)

При одинаковой температуре охлаждающей среды (9.91) упрощается:

(9.92)

Равенство теплоотдач А12в обоих режимах позволяет представить выражение эквивалентности в виде

. (9.93)

Соотношения (9.91)–(9.93) позволяют эквивалентировать тепловые режимы двигателей на основе сопоставления только средних потерь каждого режима. Основанный на сравнении средних потерь метод эквивалентирования тепловых режимов называют методом средних потерь.

Влияние низких температур на состояние агрегатов автомобиля

При небольших скоростях вращения коленчатого вала дизельного двигателя резко снижается давление впрыска, производимое форсунками и особенно насосами-форсунками, что вместе с возросшей вязкостью топлива, ухудшает его распыление и смесеобразование, нарушает нормальные условия воспламенения рабочей смеси из-за потерь тепла на нагрев стенок цилиндров и недостаточной компрессии.

Каждый пуск двигателя зимой без предварительного разогрева приводит к весьма интенсивному образованию износов основных деталей: цилиндров, поршневых колец, шеек коленчатого вала и др.

Можно считать, что за амортизационный срок службы двигателя около 70% износов его деталей вызвано пуском холодного двигателя.

В случае пуска и работы непрогретото двигателя, особенно под нагрузкой, поступающее в цилиндры холодное топливо полностью не сгорает и частично оседает на деталях. Холодный воздух, поступающий в цилиндры, (переохлаждает находящиеся в них топливо и масло и тем самьш увеличивает интенсивность смолообразования, что в значительной степени сокращает срок службы и часто приводит к разрушению основных деталей двигателя.

При разности температур наружного воздуха и топлива, находящегося в баке автомобиля, содержащаяся в воздухе влага оседает в виде инея на свободных от топлива стенках бака, который, попадая в топливо, вызывает резкое увеличение содержания в нем воды. Капли воды, попадающие вместе с топливом в топливопроводы, могут замерзнуть и закупорить каналы и приборы витания ледяными пробками.

В условиях зимней эксплуатации автомобилей ухудшаются также-условия работы механизмов и деталей трансмиссии и подвески.

Разогрев масла в механизмах трансмиссии при эксплуатации автомобилей зимой зачастую производится за счет тепла, выделяющегося от трения при работе под нагрузкой. При этом масло разогревается очень медленно, и до нагрева до температуры 10-15° С шестерни и подшипники работают без достаточной смазки, что повышает интенсивность их износа. Установлено, что износ зубьев шестерен и подшипников главной передачи автомобилей, работающих продолжительное время на масле, имеющем температуру минус 5° С и ниже, в 10—12 раз выше, чем износ этих деталей при работе их в масле, имеющем температуру +35° С и выше.

Понижение температуры окружающего воздуха до минус 5 — минус 15°С приводит к изменению теплового режима работы двигателя, вызывая падение мощности, соответственно 98 и 96% от нормальной.

При значительном понижении температуры охлаждающей жидкости неизбежно увеличивается процент отдачи тепла в окружающую среду поверхностями блока цилиндров, в результате чего не обеспечиваются необходимые рабочие температуры и понижается эффективность работы двигателя. Так, при понижении средней температуры охлаждающей жидкости двигателя с +75 до +35° С потери тепла возрастают на 10%.

В интервале температур воздуха от минус 5 до минус 15° С у двигателя ГАЗ-51, работающего на требуемом тепловом режиме, мощность снижается на 5%, а расход топлива увеличивается на 14%.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector