Питання і завдання для самоконтролю

1. Вкажіть призначення та охарактеризуйте умови праці і вимоги до механізму газорозподілу.

2.Як працює механізм газорозподілу?

3. У чому полягають конструктивні особливості основних деталей механізму газорозподілу різних схем?

4. Які конструктивні, технологічні та інші рішення застосовуються для підвищення надійності роботи основних деталей механізму газо­розподілу (клапанів, штовхачів, штанг, розподільних валів, інше)?

5. Як визначається максимальна висота підйому клапана?

6. На які напруження та від яких сил розраховуються пружини ме­ханізму газорозподілу?

8.5. Системи змащення

Системи змащення призначені для запобігання підвищеного спра­цьовування, перегріву і заїдання поверхонь тертя, зменшення витрати потужності двигуна на механічні втрати й віддалення продуктів зносу. В деяких форсованих дизелях (при N_п ≥ (22...25) 10^-2 кВт/м ) системи змащення використовуються для охолодження поршня. Масло, крім то­го, сприяє ущільненню камери згоряння й захисту деталей від корозії.

Умови змащення й масла для окремих вузлів і деталей автомобі­льного двигуна обираються залежно від навантаження поверхонь тертя, швидкості взаємного їх переміщення, температурної напруженості де­талей, тривалості роботи та інших факторів. Між поверхнями тертя, які працюють у важких умовах (насамперед, у підшипниках колінчастого і розподільного валів), намагаються забезпечити рідинне тертя, при яко­му мастильний шар має товщину, достатню для повного розділення цих поверхонь. Для більшості поверхонь тертя в автомобільному двигуні достатньо забезпечити напівсухе або напіврідинне тертя, щоб гаранту­вати їх надійну роботу (деталі механізму газорозподілу, пара стержень клапана - напрямна втулка та ряд інших). У таких парах, як наприклад, поршень - циліндр, застосування надмірного змащення небажане, бо потрапляння масла до камери згоряння призведе до порушення вста­новленого теплового режиму групи поршня, головки циліндрів і, як на­слідок, до збільшеного нагароутворення і перерівання двигуна.

За способом подання масла до поверхонь тертя системи змащен­ня, що застосовуються в ДВЗ, розподіляються на системи, у яких масло подається розбризкування і самовпливом, під тиском та комбіновано. В автомобільних двигунах переважно вживаються системи з комбі­нованою подачею масла, при якому масло до пар тертя підводиться з примусовою подачею, а також розбризкується колінчастим валом, ін­шими обертовими деталями та під час стікання з деталей у картер. У карбюраторних двигунах, які мають менші навантаження на підшипники колінчастого вала, тиск масла в системі на номінальному режимі дося­гає рівня 0,3...0,5 МПа, а у дизелів - 0,5...0,7 МПа.

Залежно від місцезнаходження основної кількості масла системи змащення двигунів розділяють на системи з мокрим (найширше засто­совуються) та сухим картером (рис. 8.49). У системі з мокрим картером масло знаходиться у нижній частині картера - піддоні, розміщеному ни­жче картера, а у системі з сухим картером - у спеціальному проміжному баці, що забезпечує надійну роботу системи при будь-якому робочому положенні автомобіля і двигуна.

Основні елементи систем змащення з мокрим картером: мас­ляний насос, масляні фільтри грубого та тонкого очищення, масляний радіатор, масляні магістралі, перепускні та редукційні клапани, контро­льні прибори.

Піддон картера повинен вміщувати таку кількість масла, яка б за­безпечувала роботу масляного насоса без підсмоктування повітря че­рез маслоприймач при різних кутах похилу двигуна при експлуатації. Питома ємкість систем змащення з мокрими картерами для різних типів двигунів має такі значення (л/кВт) [1]:

для карбюраторних двигунів легкових автомобілів - 0,07...0,14;

для карбюраторних двигунів вантажних автомобілів - 0,14...0,21;

для дизелів вантажних автомобілів - 0,14...0,21.

Масляні насоси у системах автомобільних двигунів застосовують­ся переважно шестеренчатого типу із зовнішнім та внутрішнім зчеплен­ням, їх перевагами є малі габаритні розміри та маса, проста конструкція та надійність у роботі (рис. 8.50).

Насоси розташовують як усередині двигуна, так і зовні. Привід насосів виконується від ведучої шестерні, розміщеної на передньому кінці колінчастого вала, або від розподільно­го вала. Частота обертання вала насоса на номінальному режимі робо­ти двигунів досягає 4000...5000 хв^-1. Передатні числа між колінчастим валом і валом насоса становлять 1,0...1,5. При збільшенні частоти обер­тання коефіцієнт подачі насоса зменшується внаслідок зростання опору на вході і впливу центробіжного ефекту. Для запобігання цьому явищу колова швидкість шестерен насоса на радіусі початкового кола не повин­на перевищувати 10 м/с. Коефіцієнт подачі масляного насоса залежить ще від багатьох факторів і, в першу чергу, від торцевих та радіальних зазорів між шестернями та корпусом, температури та в'язкості масла, гідравлічного опору на вході та виході з насоса, його розмірів.

Торцевий зазор у масляних насосах автомобільних двигунів зміню­ється у межах 0,05...0,15 мм, а радіальний - 0,05...0,18 мм. Розрахунко­ва швидкість руху масла в магістралях перед насосом складає у карбю­раторних двигунах 1,3...3,6 м/с, у дизелях 2,0...2,5 м/с. За масляним на­сосом швидкість масла, що нагнітається, відповідно складає 1,0...4,5 м/с та 3,8...6,1 м/с.

Необхідна продуктивність масляного насоса визначається кількістю масла: підведеного до підшипників колінчастого вала, що складає 50...70% всієї кількості масла, яке поступає в головну магістраль; підве­деного до розподільного вала та інших механізмів; витраченого для охолодження поршня та змащення циліндрів; що перепускається через редукційний клапан насоса та фільтр тонкої очистки.

Крім цього, за рахунок збільшеної продуктивності масляного насоса забезпечується достатній тиск масла у системі і у випадку збільшення зазорів у міру спрацьовування двигуна.

Габаритні розміри та масу масляних насосів вдається зменшити за рахунок збільшення частоти обертання шестерен та застосування шес­терен із малим числом зубців при великому модулі. Але при цьому ви­никають труднощі з ущільненням порожнини високого тиску, які можна частково усунути застосуванням шестерен із косими або коригованими зубцями.

Насоси з внутрішнім зачепленням шестерен мають перевагу у від­ношенні габаритних розмірів та маси (рис. 8.50, б). Насос працює за принципом витискування масла. Вісь внутрішнього ротора розміщена ексцентрично відносно осі зовнішнього ротора на половину висоти зуба. Шестерні насосів виготовляють із сталі, чавуна або металокераміки.

Маслоприймач, розташований у піддоні двигуна, служить для за­смоктування масла насосом. На автомобільних двигунах застосовують­ся переважно маслоприймачі плаваючого типу, що забезпечує забиран­ня масла із верхніх шарів, які менше забруднені. На маслоприймач установлюють сітчаті фільтри.

Масляні фільтри очищають масло від часток металу (продуктів спрацьовування), нагару, смол і пилу. Для надійної роботи двигуна не­обхідно забезпечити достатню фільтрацію та якість очищення масла від механічних домішок. Допустимий розмір часток домішок залежить від встановлених зазорів у підшипниках колінчастого вала. У високонаван-тажених підшипниках колінчастих валів несуча здібність масляного ша­ру забезпечується при відносно малих діаметральних зазорах: 0,025...0,1 мм. Тому розмір часток після фільтрації повинен бути мен­шим означених зазорів. Звичайно він не перевищує 3...4 мкм.

У системах змащення автомобільних двигунів застосовують фільт­ри грубої та тонкої очистки, які затримують частки розміром відповідно (ЗО...60) та (0,5...1) мкм.

Фільтри грубої очистки встановлюють послідовно перед голов­ною магістраллю, і весь потік масла фільтрується (так звана повнопоточна фільтрація). При холодному в'язкому маслі або при забрудненні фі­льтра більш допустимого масло подається в головну магістраль в обхід фільтра частково або повністю через перепускний клапан. Пружину пе­репускного клапана регулюють на перепад тиску (0,08...0,12) МПа.

Для грубої очистки масла застосовують сітчасті фільтри з числом отворів до 50 000 на 1 см²; стрічково-щільові або пластинчасто-щільові.

Фільтри тонкої очистки встановлюють послідовно або паралель­но з основною магістраллю. Найбільш досконала фільтрація досягаєть­ся при пропусканні всього циркулюючого у системі масла через фільтр тонкої очистки (повнопоточна очистка).

У ряді конструкцій через фільтр грубої очистки пропускається все масло, а через фільтр тонкої очистки - тільки частина його. Необхідно підкреслити, що застосування повнопоточних фільтрів тонкої очистки дозволяє значно знизити спрацьовування поверхонь тертя деталей дви­гуна.

Для тонкої фільтрації застосовують поверхневі (паперові та карто­нні), поглинаючі (войлочні, дерев'яні), а також комбіновані фільтри (рис. 8.51, а).

Паперові елементи з товщиною фільтруючої перегородки до 0,6 мм та картонні з товщиною 0,6...1 мм для збільшення фільтруючої поверхні виконуються складчастої форми. Комбіновані фільтри складаються із двох фільтрів - грубої (звичайно пластинчасто-щільового типу) та тонкої (картонного або центрифуги) очистки.

Широке застосування на автомобільних двигунах знайшли центри­фуги з гідравлічним реактивним і механічним приводом ротора. Приклад першого варіанту приводу наведено на рис. 8.51, б.

Ротор центрифуги 1, встановлений на центральній осі, обертається під дією струмини масла, яка витікає із форсунок 2. Завдяки відцентро­вим силам більш важчі тверді частки у маслі осідають на стінках ротора, а потім їх видаляють при очищенні фільтра. Вони мають ряд переваг, а саме: не потребують заміни елементів при періодичному обслуговуван­ні; забезпечують високий рівень фільтрації; мають високу стабільність фільтруючих чих показників при експлуатації, високу пропускну здіб­ність. Частота обертання ротора центрифуги з гідравлічним реактивним приводом залежить від в'язкості масла та перепаду тиску на фільтрі. Частота обертання досягає 6000...8500 хв^-1. Витрати масла на привід складають 8...12 кг/хв. Центрифуги забезпечують високий ступінь очи­щення масла, до 0,5...1 мкм. Центрифуги з механічним приводом менш ефективні для автомобільних двигунів, які працюють значний час на змінних режимах, застосовуються для розсіювання теплоти, яка відво­диться з маслом. Особливо це важливо для форсованих двигунів ван­тажних автомобілів, бо для двигунів легкових автомобілів достатньо охолодження масла обдуванням піддона картера повітрям.

Масляні радіатори виконуються двох типів: водомасляні та повітряномасляні. За конструкцією вони виконуються трубчатими або труб­чато-пластинчатими. Масляні радіатори звичайно містяться перед радіатором системи охолодження. Для запобігання руйнуванню трубок при роботі двигуна у холодних умовах радіатор має перепускний клапан.

Розрахунок системи змащення має за мету визначення витратних характеристик системи та встановлення на їх основі конструктивних па­раметрів елементів системи. Більшість автомобільних двигунів мають комбіновану систему змащення. Одним із основних її елементів є мас­ляний насос, визначенням конструктивних параметрів якого і можна об­межитись при учбових розрахунках. Спочатку визначається кількість теплоти, що відводиться з маслом від двигуна, щодо якої встановлю­ються циркуляційні витрати масла у системі. У відповідності з тепловим балансом Q_м (кДж/с) становить 1,5...3% від усієї теплоти, введеної у двигун з паливом:

де Q₀ - кількість теплоти, кДж/с, яка виділяється з паливом, внесеним у циліндр за 1 с,

де Н_u - найнижча теплота згоряння одного кілограма палива, кДж/кг; G_пал - годинна витрата палива, кг/год.

Циркуляційні витрати масла (м³/с) при даному значенні Q_м:

де ρ_м - густина масла, ρ_м = 900 кг/м³; с_м - середня теплоємність мас­ла, кДж/(кг-К); ʌt_м - збільшення температури нагріву масла у двигуні, ʌt_м = 10…15°C.

Для стабільності тиску масла у системі двигуна циркуляційні витра­ти масла звичайно збільшують у два рази:

При визначенні розрахункової продуктивності масляного насоса V_р (м³/с) необхідно враховувати витікання масла через торцеві та радіальні зазори, що враховуються через об'ємний коефіцієнт подачі η_н . Тоді

де η_н вибирається залежно від торцевих та радіальних зазорів між ше­стернями і корпусом, температури та в'язкості масла, розрідження на

вході у насос та протитиску на виході з нього, частоти обертання шес­терні, η_н = 0,75...0,85.

Задаючись значеннями модуля, числом зубців шестерен та часто­тою їх обертання, знаходять довжину зуба шестерен.

Потужність, яка витрачається на привід масляного насоса, може бути встановлена за залежністю, кВт,

де V_р - розрахункова продуктивність масляного насоса, м³/с; р_м -робочий тиск масла у системі двигуна, МПа; η_м.н - механічний ККД ма­сляного насоса η_м.н =0,85...0,9 [1, 7].

Система вентиляції картера призначена для видалення робо­чої суміші відпрацьованих газів, які прорвалися в картер двигуна під час його роботи через нещільності поршневих кілець. Вентиляція картера сприяє збільшенню строку служби масла, а також запобігає виникненню в картері підвищеного тиску, який може призвести до витікання масла через сальники і прокладки.

Враховуючи, що картерні гази токсичні, у сучасних автомобільних двигунах переважно застосовують закриті (примусові) системи вентиля­ції, тобто використовують відведення картерних газів у впускний тракт, виключаючи тим самим їх попадання в атмосферу.

Якщо на деяких дизелях ще використовують відкриті системи вен­тиляції картера (наприклад, КамАЗ-740), то перед виходом картерних газів у атмосферу вони пропускаються через сапун-уловлювач, у якому від них відокремлюються часточки масла.