Тема № 4. Система смазки и система охлаждения двс. Анализ работы и основы расчета.

Смазочная система

Смазочная система служит для уменьшения потерь на трение между трущимися поверхностями, снижения износа этих поверхностей, а также предохраняет их от коррозии, охлаждает и удаляет с них продукты изнашивания.

Наименьшие потери на трение получаются при жидкостном трении. Однако вследствие высоких температур этот вид трения создать в двигателях удается не всегда.

По способу подвода масла к трущимся поверхностям смазочные системы делят на циркуляционные под давлением, разбрызгиванием и комбинированные.

По способу подвода масла в сопряжение коленчатый вал – коренные и шатунные подшипники различают следующие смазочные системы: последовательные (подвод масла по каналам коленчатого вала) и параллельные (подвод масла от главной магистрали).

По типу картера смазочные системы бывают с мокрым и с сухим картером.

В современных автотракторных двигателях в основном распространены циркуляционные комбинированные системы с мокрым картером.

Смазочные системы также характеризуются по следующим показателям: кратности циркуляции; удельной емкости; удельной подаче масляного насоса; наличию теплообменников и других охлаждающих устройств; принципу работы средств очистки; наличию и степени автоматизации.

Рассмотрим подробнее эти показатели.

Кратность циркуляции:

,

где – подача масляного насоса, л/ч; V – вместимость смазочной системы, л.

По значению К смазочные системы делят на системы с малой кратностью циркуляции (К<60 ч^–1) и с большей кратностью (К 60 ч^–1).

Удельная емкость смазочной системы (л/кВт): q = V/N_e (у современных двигателей q = 0,11...0,62 л/кВт). Удельная подача масляного насоса [л/(кВтч)]:

, = 0,33... 1,59 л/(кВт–ч).

Для охлаждения масла применяют масляные радиаторы. По схеме включения в магистраль и принципу работы средств очистки масла различают смазочные системы с неполно поточной (частично поточной) и полно поточной центробежной очисткой или фильтрацией.

По степени автоматизации смазочные системы делятся на две группы – неавтоматизированные и имеющие элементы автоматики.

Вместимость смазочной системы приближенно можно определить по формуле:

V = q N_e

При расчете смазочной системы определяют скорости потоков масла и гидравлические сопротивления в характерных участках системы.

Скорости потоков масла (м/с) при прохождении через трубопроводы и каналы:

,

где – объем масла, проходящего через данный канал; f_K – площадь «живого» сечения канала.

Гидравлическое сопротивление рассчитывают по формуле:

,

где – коэффициент сопротивления трению; и d – длина и внутренний диаметр трубопровода; – коэффициент местных сопротивлений; – плотность масла.

Расчет подшипника. Для создания при работе двигателя в сопрягаемых деталях жидкостного трения необходимо, чтобы под действием гидродинамического давления в несущей части масляного слоя вал поднимался на определенное минимальное значение.

Считается, что жидкостное трение достигается, если между валом и подшипником имеется минимальный зазор:

,

где – критическая толщина масляного слоя; – минимальная рабочая толщина масляного слоя (обычно принимают 2 мкм).

,

где – высота неровностей вала; – высота неровностей подшипника; – отклонение от геометрической формы.

Надежность работы подшипника оценивают коэффициентом надежности жидкостного трения:

,

Количество теплоты (кДж/с), выделяемое подшипником:

,

где – среднее давление за цикл на шейку вала, МПа; =0,002...0,008 – коэффициент жидкостного трения; – площадь подшипника, м²; – окружная скорость шейки, м/с.

Количество теплоты (кДж/с), отводимое от подшипника маслом:

где V'_M – объем масла, проходящего через подшипник, м³/с; – плотность масла, кг/м³; с_м – удельная теплоемкость масла, кДж/(кг–К); – температура масла, входящего в подшипник; – температура масла, выходящего из подшипника ( =10...15^сС).

Подшипники двигателей внутреннего сгорания работают при температуре поверхностей трения 100...120°С и температуре масла, достигающей 120 °С.

Расчет масляного насоса. Масляные насосы поддерживают непрерывную циркуляцию масла в двигателе, подавая его под давлением во все сопряженные пары, требующие смазывания. На современных двигателях в основном применяют шестеренные и одновинтовые (разновидность шестеренных) насосы. В зависимости от типа двигателя их устанавливают внутри или снаружи картера. Для надежности работы во многих двигателях устанавливают двух– и трехсекционные мас ляные насосы. При этом верхняя секция подает масло в смазочную систему и центробежный фильтр тонкой очистки, а нижняя– в масляный радиатор.

Исходная величина для расчета элементов смазочной системы, в том числе и масляного насоса, – необходимая подача масла (л/ч):

где – коэффициент запаса, учитывающий возможность перегрузки и дальнейшего форсирования двигателя, увеличение зазоров при износе и т. п. ( =l,5...3); – удельное количество теплоты, поступающее в масло от деталей двигателя, Дж/(кВтч); – перепад температур масла на выходе из двигателя и входе в него, °С; и – соответственно удельная теплоемкость кДж/(кгК) и плотность (кг/м³) масла.

Точный расчет по приведенной зависимости затруднителен, поэтому подачу масляного насоса чаще определяют по эмпирическим зависимостям вида:

где – удельная подача масляного насоса: для карбюраторных двигателей =11...28 л/(кВтч) и для дизелей =28...56 л/(кВт–ч).

Расчетная подача масляного насоса может быть также получена на основе следующих положений. Необходимая подача масла насосом V_H зависит от количества отводимой им от двигателя теплоты Q_M (кДж/с), которое для автотракторных двигателей составляет 1,5...3% общего количества теплоты, введенной в двигатель с топливом, т. е.

Q_M = (0,015...0,03)Q_o; Q_o = Q_H G_T/3600 кДж/с.

Тогда необходимая подача масла (м³/с) с учетом заданного значения Q_M

где – плотность масла (в расчетах принимают =900 кг/м³); – средняя удельная теплоемкость масла ( =2,094 кДж/(кгК); – температура нагрева масла в двигателе ( = 10...15 К).

Подачу масла насосом для стабилизации давления масла в системе двигателя обычно увеличивают в 2 раза, т. е.

Расчетная подача насоса:

где – объемный коэффициент подачи (учитывает прорыв масла через нештатности и влияние других факторов; =0,6...0,8).

Основные размеры масляного насоса определяют в предположении, что объем впадин (м³) между зубьями шестерен наcoca равен объему самих зубьев. В этом случае объем масла (м³), поданный шестернями масляного насоса за один оборот:

где –диаметр начальной окружности шестерни, мм; h – высота зуба, мм;

b –длина зуба, мм.

Тогда расчетная подача (л/ч) с учетом размеров масляного насоса может быть определена по формуле:

где – частота вращения валика насоса, об/мин.

Принимая и где т модуль зацепления ( =3...6 мм), z– число зубьев (z=6...12), – угол профиля зуба, получим:

Из последнего уравнения, задавшись предварительно значениями z, т, п , можно определить длину зуба b.

Мощность (кВт), затрачиваемая на привод масляного, насоса:

где – рабочее давление масла в системе (в карбюраторных двигателях =0,3...0,5 МПа, в дизелях =0,3...0,7 МПа); – механический КПД масляного насоса ( =0,85...0,9).

Расчет масляного радиатора. Во многих автотракторных двигателях для поддержания требуемой температуры масла применяются масляные радиаторы, которые делят на два типа: воздушно–масляные и водо– масляные.

Основная расчетная величина – площадь поверхности охлаждения радиатора (м²):

где Q_M – количество теплоты, отводимое маслом от двигателя, кДж/с;

– полный коэффициент теплопередачи от масла к охлаждающей

среде, Вт/(м²–•К); – средняя температура масла в радиаторе ( =348...363 К); – средняя температура проходящей через масляный радиатор охлаждающей среды (воды или воздуха); для воды

= (343...358) К.

Расчет ведут для режима N_eн.

Количество теплоты (кДж/с), отводимое маслом от двигателя:

Q_H== (0,015 ...0,03) Q_o.

Значение коэффициента зависит от многих факторов. Его определяют по формуле:

где – коэффициент теплоотдачи от масла к стенкам радиатора, Вт/(м²–К); – толщина стенки радиатора, м; – коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м–К); – коэффициент теплоотдачи от стенок радиатора к воде, Вт/(м²–К).

Значения , и принимают по опытным данным: для прямых гладких трубок при скорости движения масла =0,1...0,5 м/с = 100...500 Вт/(м²К); при наличии завихрителей в трубках и =0,5...1 м/с = 800...1400 Вт/(м²–К). Значение зависит от материала радиатора и составляет для латуни и алюминиевых сплавов 80...125 Вт (мК), для нержавеющей стали 10...20 Вт/(м–К); = 2300...4100 Вт/(м²К).

Полный коэффициент теплопередачи Км(Вт/м²К) для прямых гладких трубок составляет 115...350, для трубок с завихрителями – 815...1160 [6].

Очистка масла. Для уменьшения вредного действия механических примесей и продуктов окисления масло во время работы двигателя должно непрерывно очищаться. Очистку масла по целевому назначению и качественному эффекту делят на три группы: предварительная, грубая и тонкая.

При предварительной очистке удаляются частицы размером 120...150 мкм, при грубой – свыше 50 мкм, при тонкой – меньше 50 мкм.

Агрегаты очистки могут пропускать весь поток масла (полнопоточные) и его часть (неполнопоточные). Коэффициент проточности:

где – поток масла, циркулирующий через агрегат очистки; – поток масла, циркулирующий через масляную магистраль.

При <1 – неполнопоточная очистка, при =1 – полнопоточная очистка.

Масло может очищаться в пористых средах (фильтрование)

и в силовых полях (центрифугирование).

Фильтры грубой очистки по конструкции разделяют на пластинчато–, ленточно–, проволочно–щелевые и сетчатые.

Расчет фильтрующих элементов сводится к определению площади поверхности фильтрации и пропускной способности. Площадь поверхности фильтрации (м²):

где f – «живое» сечение, см²; – коэффициент «живого» сечения, %.

«Живое» сечение:

где V_H – расчетная подача насоса, л/мин; _м – допустимая скорость масла, см/с.

Коэффициент «живого» сечения для ленточно– и проволочно–щелевых фильтров:

,

где и – соответственно высота и длина фильтровальной щели, Мм; t – шаг выступов ленты (проволоки), мм; – толщина ленты (проволоки), мм.

Пропускная способность [л/(мин–см²)] и расход (л/мин) фильтра выражаются зависимостями

и ,

где – коэффициент пропорциональности, представляющий собой пропускную способность единицы площади поверхности фильтра при перепаде давления = 0,1 МПа и вязкости масла 0,1 Па–с (л/см²). Значение в зависимости от материала фильтра находится в пределах 0,012...0,105 (для капрона =0,012, для проволочного фильтра с размером щели 0,08 мм – 0,105); – перепад давления на фильтре (принимается 0,1 МПа, предельный перепад давлений в фильтрах составляет 0,08...0,12 МПа); – коэффициент динамической вязкости масла, Пз; F – площадь поверхности фильтрации, см².

Допустимая скорость масла _м составляет для фильтров грубой очистки 2...6 см/с, для пластинчато–щелевых фильтров со скребками – 9... 18 см/с.

Фильтры тонкой очистки масла по конструкции разделяют на щелевые, объемно– и поверхностно–адсорбирующие и рассчитывают по тем же зависимостям, что и фильтры грубой очистки.

Центробежные фильтры тонкой очистки (центрифуги) обладают избирательным свойством очистки. Тонкость очистки масла в центрифугах при многократной циркуляции составляет 1...3 мкм, поэтому центробежные фильтры широко применяют на двигателях, работающих в условиях сильной запыленности.

По типу привода центрифуги бывают реактивные и реактивно–активные. У реактивных центрифуг ротор вращается за счет струй масла, вытекающих с большой скоростью через наружные сопла, а у реактивно–активных – за счет моментов, создаваемых потоком масла, проходящим через тангенциальные каналы внутри ротора.

Эффективность очистки масла центрифугами оценивают фактором разделения:

,

где – угловая скорость ротора; R – радиус ротора; g – ускорение свободного падения.

Центрифуги, устанавливаемые на отечественных двигателях, имеют фактор разделения = 1250...4000.

Рассмотрим примеры расчета смазочной системы.

Расчет масляного насоса. Общее количество теплоты, выделяемое топливом в течение 1 с:

Q_o = Q_H G_T/3,6 = 42 500 0,7/3600 = 126,2 кДж/с

(Q_H и G_T приняты из теплового расчета дизеля Д–144).

Количество теплоты, отводимой маслом от двигателя:

Q_M = 0,03 = 0,03 26,2 = 3,8 кДж/с.

Принимают: с_м=2,094 кДж/(кг–К);р_м=900 кг/м³; ДГ„=10 К. Тогда подача масла насосом

V_h = Q_m/( ) =3,8/(900 ,094 0) =0,000202 м³/с;

V'_H = 2 V_H = 2 ,000202 = 0,000404 м³/с.

Коэффициент подачи берут т]„=0,7. Тогда расчетная подача насоса V_{H р} = VJv\_H = 0,000404/0,7 = 0,000577 м³/с

Принимают модуль зацепления зуба m= 0,004; высоту зуба h=2от=2 ,004=0,008 м; число зубьев шестерни z=8. Тогда диаметр начальной окружности шестерни D₀= zm=8 ,004=0,032 м; диаметр внешней окружности шестерни D=m(z+2) =0,004(8+2) =0,04 м.

Окружную скорость на внешнем диаметре шестерни принимают =8м/с. Тогда частота вращения шестерни насоса n_н= 60/( ) =8 0/(3,14 ,04) =3830 об/мин.

Длина зуба шестерни:

= 0,0112 м.

Считают, что рабочее давление масла в системе =0,6 МПа; механический КПД масляного насоса =0,88. Тогда мощность, затрачиваемая на привод насоса:

кВт.

Расчет масляного радиатора. Площадь поверхности охлаждения водно–масляного радиатора для карбюраторного двигателя определяют с учетом данных, полученных в тепловом расчете (см. главу 3) и в примере расчета водяного радиатора: Q_о = 356 кДж/с; Q_H=43930 кДж/кг; G_T=29,2 кг/ч.

Количество теплоты, которое нужно отвести от двигателя в масло:

Q_M= 0,02 Q_o = 0,02 56 = 7,12 кДж/с.

Принимают: материал радиатора – алюминиевый сплав; коэффициент теплоотдачи от масла к стенке радиатора =400 Вт/(м²–К); толщина стенки радиатора = 0,00025 м; коэффициент теплопроводности стенки =120 Вт/(м–К); коэффициент теплоотдачи от стенки радиатора к воде = 3500 Вт/(м²–К). Тогда коэффициент теплопередачи от масла к воде

=278 Вт/(м²–К).

Среднюю температуру масла в радиаторе принимают = 355 К и среднюю температуру воды в радиаторе =345 К. Тогда площадь поверхности охлаждения масляного радиатора

= 2,56 м².

Система охлаждения