Питання і завдання для самоконтролю

1. Укажіть призначення і склад системи змащення автомобільного двигуна.

2. Укажіть особливості роботи системи змащення і вимоги, які вису­ваються до неї.

3. Наведіть класифікацію систем змащення за головними ознаками.

4. Дайте характеристику роботи масляного насоса, укажіть ос­новний тип насосів, який застосовується на автомобільних двигунах, поясніть, що кладеться в основу вибору і розрахування масляних насо­сів.

5.Назвіть вимоги, що ставляться до фільтрації масла в автомобіль­ному ДВЗ, і дайте характеристику масляним фільтрам.

6. Яку задачу вирішує масляний радіатор і як він підбирається до двигуна?

7. Із якою метою застосовується система вентиляції картера?

8.6. Системи охолодження

Системи охолодження призначені для підтримання теплового стану двигуна шляхом регульованого відведення теплоти від деталей, нагрітих у результаті контакту з гарячими газами і поверхнями тертя. Основними загальними вимогами до системи охолодження є:

• недопустимість перегріву та переохолодження ДВЗ;

• експлуатаційна надійність;

• невеликі витрати потужності ДВЗ на роботу системи;

• компактність;

• мінімальна вага;

• техніко-економічна обгрунтованість.

У автомобільних двигунах застосовуються системи охолодження двох типів: рідинна та повітряна. Кожна з них має свої переваги та не­доліки.

Рідинна система охолодження має перед повітряною такі переваги: краще регулюється і забезпечує більш рівномірну і низьку середню тем­пературу деталей; зменшує шум ДВЗ; забезпечує менші габаритні роз­міри ДВЗ за довжиною (на 10... 15%); сприяє полегшенню запуска двигу­на. У свою чергу, недоліками цього типу системи охолодження є: більша уразливість системи через можливість підтікання і замерзання рідини в експлуатації; збільшення часу, необхідного для прогрівання; вища кош­товність.

При проектуванні основні параметри рідинної системи охолоджен­ня вибирають таким чином, щоб забезпечити потрібне тепловідведення при їзді автомобіля на вищій передачі з малою швидкістю (12...15 км/год) при високій температурі навколишнього середовища (40 °С).

Враховуючи можливість режимів роботи автомобільних двигунів, ця система охолодження двигуна повинна мати у своєму складі елементи, які стабілізують тепловий стан двигуна: термостати, автоматичні муфти приводу вентилятора, датчики температури та інші. При їх застосуванні вдається зменшити витрати потужності двигуна на привід агрегатів сис­теми охолодження і одночасно знизити експлуатаційні витрати двигуном палива.

Рідинна система охолодження складається із: оболонки (сорочки) блока циліндрів і головки двигуна; рідинного насоса; термостата з рі­динним або твердим заповнювачем; вентилятора; радіатора; жалюзей, патрубків, шлангів, роздільної труби, краників та ін.

На автомобілях цю систему застосовують виключно закритого типу з вимушеною циркуляцією та двома видами елементів регулювання.

Закритий тип системи не має безпосереднього зв'язку із навколиш­нім середовищем і дозволяє підвищити температуру кипіння охолоджу­ючої рідини, що відкриває можливість для зменшення втрат теплоти палива та підвищення ККД, а значить, і економічності двигуна.

Перший із елементів системи регулювання - автоматично діючий термостат, який регулює кількість рідини, що надходить у радіатор для охолодження. При цьому температура на виході із двигуна підтримує­ться на рівні 90...95 °С при будь-якому режимі його роботи. Залежно від положення клапана термостата змінюється співвідношення між потока­ми рідини, що проходить через радіатор і минає його.

Друга система регулювання-складається з жалюзей, які розміщаю­ться перед радіатором і дозволяють змінювати кількість повітря, що проходить крізь нього.

Під час спільної роботи обох систем регулювання легше досягаєть­ся постійна середня температура охолоджуючої рідини при різних екс­плуатаційних умовах та забезпечується мала різниця температур рідини на виході із двигуна і на вході в нього. У тих випадках, коли засто­совується тільки перша система регулювання, збільшується різниця температур, особливо при роботі двигуна з малим навантаженням та при низькій температурі навколишнього середовища.

На рис. 8.52 зображена схема системи охолодження рядного двигу­на, циліндри якого охолоджуються рідиною, яка примусово циркуляє по всій їх висоті. Відцентровий насос 7 подає охолодну рідину у роз­подільну трубу 8, яка її рівномірно розподіляє у просторі між окремими циліндрами. Рідина підводиться до нижньої частини циліндра, що до­зволяє запобігти утворення застійних зон та пароповітряних пробок, які порушують циркуляцію і охолодження. Із оболонки циліндрів рідина надходить до головки, а від неї по трубопроводу 5 до термостата 2.

У термостаті рідина розділяється на два потоки: один поступає у верхню частину, радіатора, а другий по обвідному трубопроводу 3 повертається у двигун. Патрубок 6 служить для відведення пові­тря від насоса при заповненні системи та пари, що утворюється при роботі двигуна.

У деяких двигунах застосовані системи з під­водом охололо!' рідини безпосередньо до головок циліндрів, звідкіля відносно невелика її кількість надходить у блок, а основна маса - у радіатор. Циркуляція рідини у блоках забезпечується зви­чайно за рахунок відсмоктування рідини насосом через торцеві вікна.

В умовах експлуатації у системі охолодження утворюється пара, наявність якої може порушува­ти циркуляцію рідини. Запобігти цього можна, за­стосувавши одне з таких рішень: створення у ра­діаторі вільного об'єму, який складає 4...5% від усього об'єму системи; застосування системи охолодження з розширювальним бачком; установ­ка паровідвідних трубок; використання повністю герметично запаяних систем із підвищеним внут­рішнім тиском (до 0,2 МПа).

Схема систем з розширювальним компенса­ційним бачком 8 показана на рис. 8.53.

Через розширювальний бачок заливають і доливають рідину у процесі експлуатації. Пари рідини і по­вітря, що утворюються у системі, відводяться по трубці 1 у розширюва­льний бачок, котрий одночасно зв'язаний трубкою 9 із верхньою части­ною 5 радіатора 6 та трубкою 70 із всмоктувальною порожниною насоса 7. Об'єм розширювального бачка досягає 25...30% об'єма системи. При наявності розширювального бачка радіатори виготовляють без допов­нюючих компенсаційних об'ємів.

У закритих системах охолодження внутрішній об'єм сполучається з навколишнім середовищем через пароповітряний клапан, встановлений у верхній частині радіатора і відрегульований на надмірний тиск 0,09 МПа (рис. 8.54).

Перспективними системами охолодження є повністю герметизовані системи, які заповнюються всесезонною рідиною з високою температу­рою кипіння (до 120°С) і мають гарантоване збереження герметичності під час експлуатації [5].

Застосування в системі охолодження рідин, які замерзають при більш низьких температурах порівняно з водою (антифризів), знижує теплообмін та підвищує температуру деталей двигуна. Наприклад, під­вищення температури кипіння охолодної рідини до 120°С збільшує тем­пературу деталей циліндро-поршневої групи на 10...12°С. Теплоємність антрифризів на 15% нижча, а в'язкість у 5...7 разів більша, ніж у води. Але антифризи не утворюють накипу і мають кращі антикорозійні влас­тивості.

Радіатор є одним із основних елементів системи охолодження. Це - теплообмінний апарат, частіше рідинно-повітряного типу. Охоло­дження відбувається в його серцевині, яка обдувається повітрям. За конструкцією вони бувають трубчасті, пластинчасті, стільникові (рис. 8.55). Найбільше розповсюдження отримали трубчасто-пластинчасті радіатори (рис. 8.55, а), у яких охолодна рідина проходить по трубках і які працюють при відносно високому тискові. Трубки монтуються у декі­лька рядів у шахматному порядку або під кутом до повітряного потоку (рис. 8.55, з, д). Частота розміщення трубок визначається їх кроком по фронту t_ф та по глибині t_гл, частота розміщення пластин - кроком по висоті радіатора t_пл. Для сучасних автомобільних радіаторів розміри трубок змінюються у таких межах: ширина а = 13...20 мм; товщина b = 2...4 мм; товщина стінок ~ ОДЗ.,.0,2 мм; крок трубок по фронту t_ф = 10... 15 мм, по глибині t_гл = 16...25 мм. У пластинчатих радіаторах товщина пластин складає b = 0,08...О,12 мм, крок пластин по висоті t_пл =2,5...4,5 мм.

Трубки радіатора звичайно виготовляють із латуні, а пластинки - із латуні або міді, тобто матеріалів, які мають високий коефіцієнт теплопе­редачі. Останнім часом все ширше застосовуються алюмінієві радіатори. Це дає змогу використовувати менш дефіцитний матеріал, значно зменшити вагу радіатора, але потребує серйозного удоскона­лення технології їх виготовлення.

Середня швидкість повітря, віднесена до перерізу перед фронтом радіатора, змінюється у автомобільних радіаторів у межах W_пов = 7...12 м/с. Опір радіатора проходженню повітря складає ʌр_р = 200...300 Па. Тем­пература повітря під час проходження крізь радіатор підвищується на 20...30°С.

Габаритні розміри радіатора визначаються умовами компоновки радіатора на автомобілі, кількістю теплоти, яка відводиться радіатором, швидкістю руху повітря та рідини у трубках (пластинах) радіатора, конструктивними па­раметрами елементів, що складають його (розміщенням, числом трубок (пластин), ма­теріалом, із якого виконані, та ін.).

Рідинний насос забезпечує циркуляцію рідини у системі охолодження. Звичайно в автомобільних двигунах застосовують насо­си відцентрового типу (рис. 8.56).

Передато­чне число між валом крильчатки та колінчас­тим валом у швидкісних двигунах обирають близьким до одиниці. Натиск, який утворює насос, вибирають із умови подолання усього опору системи. Він звичайно складає 0,05...0,15 МПа. Швидкість рідини у випускних каналах насоса не перевищує 2,5...З м/с, а витрати потужності на його привід становлять 0,5...1% від номінального значення потужності двигуна.

Вентилятор забезпечує обдування радіатора просмоктуванням через його серцевину атмосферного повітря. На двигунах з рідинним охолодженням за умовами компоновки установлюються осьові вентиля­тори (рис. 8.57). Обдування двигуна та його навісних агрегатів прохо­дить без зміни напрямку повітря у підкапотному просторі. Для більш ефективного використання фронтової поверхні радіатора та організації руху повітря під капотом слід застосувати направляючий кожух 12 (рис. 8.52). У цьому випадку відстань між вентилятором та радіатором може досягати 80...100 мм. При відсутності направляючого кожуха ця відстань не перевищує 10...15 мм. Потужність, витрачена на привід вен­тилятора, пропорційна частоті його обертання у третьому ступені і скла­дає 5...8% від номінальної потужності двигуна. Щоб поліпшити експлуа­таційну економічність автомобілей, на них установлюють вентилятори, які вимикаються за допомогою фрикційних, гідравлічних та електромаг­нітних муфт або автономного приводу від електродвигуна. Крім того, їх можна обладнати механізмом зміни кута атаки лопатей вентилятора, датчиком теплового стану двигуна та іншим. Гідравлічні муфти роблять автономними або включають у систему змащення двигуна.

В автомобільних двигунах привід вентилятора здійснюється безпо­середньо від колінчастого вала за допомогою клинової передачі з при­строями автоматичного або періодичного ручного натяжіння пасів в екс­плуатації. Колові швидкості пасів не повинні перевищувати 30...35 м/с. Передаточні числа приводу вентилятора становлять 1...1,5.

Лопаті вентилятора штампують із листової сталі товщиною 1,2...1,6 мм і приклепують до ступиці.

Повітряна система охолодження складається із: оребрених го­ловок та блока; вентилятора (осьового або відцентрового); дефлекторів (рис. 8.58).

Вона має такі позитивні якості: прос­та за будовою та в експлуатації, забезпе­чує

швидке прогрівання двигуна після за­пуску; має невелику масу.

Недоліками системи такого типу є: залежність ефективності роботи системи від

режиму роботи двигуна; гірша рівно­мірність відведення теплоти по висоті ци­ліндра; шумність роботи; більші витрати потужності на привід вентилятора.

Повітряний тракт системи охоло­дження - це система повітряних каналів, які визначають траєкторію руху охолоджу­ючого повітря по поверхні двигуна. Еле­ментами повітряного тракту є: повітрозабірний патрубок, вентилятор, повітророзподільний кожух, циліндри та їх головки, дефлектори, повітровідвідний кожух.

Вентилятор є основним робочим органом повітряної системи охолодження, і він не обов'язково повинен розміщуватися на початку або в кінці повітряного тракту. Крім того, конструктивно вентилятор ін­коли виконується не зв'язаним із повітряним трактом.

Привід вентилятора потребує до 13% від ефективної потужності двигуна. На один кіловат за одну годину потужності двигуна необхідно витрачати приблизно до 150 м³ повітря.

При будь-якому способі подавання охололого повітря воно повин­но, в першу чергу, поступати до найбільш нагрітих деталей двигуна. Крім того, повинна застосовуватися система дефлектування, яка забез­печує більш рівномірне розподілення температур за циліндрами та їх висотою при менших витратах енергії на це.

Розрахунок елементів система охолодження виконується на основі визначення кількості теплоти, яка відводиться від двигуна за одиницю часу, кДж/с:

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

Для рідинної системи охолодження одним із основних елемен­тів є рідинний насос. Його розрахункову продуктивність знайдемо за формулою:

де η_п.н ^_ коефіцієнт подачі насоса, η_п.н = 0,8...0,9; V_рід - циркуляційна

витрата охолодної рідини, м³/с.

У свою чергу, циркуляційні витрати охолодної рідини в системі дви­гуна, м³/с:

де ρ_рід - густина охолодної рідини, кг/м³; C_{m рід} - середня теплоємність охолодної рідини, Дж/(кгК); ʌt_рід - температурний перепад охолодної рідини у радіаторі, який звичайно складає (6...12)°С.

Потужність, яка потрібна для приводу рідинного насоса:

де p_рід - натиск рідини, який створюється насосом, р_рід = О,12∙10⁶ Па; η_м - механічний ККД рідинного насоса, η_м = 0,8...0,9.

Розрахунок рідинно-повітряного радіатора зводиться, в основному, до визначення його поверхні охолодження (м²), необхідної для передачі теплоти від охолодної рідини повітрю:

де Q_охол - кількість теплоти, яка відводиться в систему охолодження, кДж/с; К - коефіцієнт теплопередачі радіатора, Вт/(м²К); t_{сер.рід} - серед­ня температура рідини у радіаторі, °С; t_{сер.пов} - середня температура повітря, яке проходить через радіатор, °С.

Коефіцієнт теплопередачі К у формулі (8.91) має комплексну будо­ву:

де а_рід - коефіцієнт тепловіддачі від рідини до стінки радіатора, Вт/(м²К); δ₁ - товщина стінки трубки радіатора, м; λ₁ - коефіцієнт теп­лопровідності металу трубок радіатора, Вт/(мК); а_пов - коефіцієнт теп­ловіддачі від стінок радіатора до повітря, Вт/(м²К).

Звичайно К за даними дослідження складає для легкових автомобілей (80...100); для вантажних - (140...180), Вт/(м²К).

Середня температура охолодної рідини у радіаторі приймається у межах:

t_{сер.рід} =85...92°С.

Середня температура повітря: t_{сер.пов} =50...55°С .

У двигунів із системами рідинного охолодження звичайно застосо­вуються осьові вентилятори. Розрахунок вентилятора зводиться до ви­значення його основних параметрів: діаметра вентилятора, частоти йо­го обертання, потужності, яка витрачається на його привід.

Кількість повітря, яке проходить через радіатор, рекомендується визначати із рівняння теплового балансу, м³/с:

де ρ_пов - густина повітря, яка визначається за параметрами навколиш­нього середовища, кг/м³; с_Мпов - середня теплоємність повітря, кДж/(кгК); ʌt_пов - температурний напір повітря у радіаторі, ʌt_пов = (20...30)°С.

Потужність, витрачену на привід вентилятора, слід визначити за залежністю:

де ʌр_тр - гідравлічний опір повітря, який складається із витрат на тертя та з місцевих витрат, ʌр_тр = (0,6... 1,0)10³, Па; η_в - ККД вентилятора, для осьових клепаних вентиляторів η_в= 0,32.. .0,4, для литих η_в =0,55...0,65 .

Звичайно, ця потужність складає (7...14)% від номінальної потужно­сті двигуна.

Діаметр вентилятора, м:

де

V_пов ^_ кількість повітря, яке проходить через радіатор, м³/с; W_пов -швидкість повітря перед фронтом радіатора без обліку швидкості руху автомобіля, м/с, W_пов =(6...24).

Частоту обертання η_вент приймають, виходячи із граничного зна­чення його колової швидкості, яка дорівнює u_вент =70...100 м/с.

Колова швидкість залежить від напору вентилятора та його конс­трукції, м/с:

де φ_л - коефіцієнт, який залежить від форми лопатей (для плоских ло­патей φ_і = 2,8...3,5 ; для криволінійних φ_л = 2,2...2,9);

Частота обертання вентилятора при відомій коловій швидкості, хв^-1:

Для двигуна з повітряним охолодженням розрахунок системи зводиться до визначення площин поверхонь охолодження ребер цилін­дра та головки двигуна. Кількість охолодного повітря, яке повинно пода­ватись вентилятором, визначається із значення теплоти Q_охол (8.87):

де t_пов.вх - температура повітря, що входить у міжребровий простір, t_пов.вх =20°С; t_пов.вх - температура повітря, що виходить з нього, t_пов.вх =(80...100)°С.

Поверхня охолодження ребер циліндра

де Q_цил - кількість теплоти, яка відводиться повітрям від циліндра дви­гуна, Дж/с; К_в - коефіцієнт тепловіддачі поверхні циліндра, Вт/(м²К); t_цил.0 - середня температура у підвалині ребер циліндра, °С; t_пов.вх - середня температура повітря у міжребровому просторі циліндра, °С.

За даними експериментів середня температура у підвалинах ребер циліндрів складає, °С:

у ребер з алюмінієвих сплавів 130...150;

у ребер із чавуну 130...180.

Коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²К):

де t_сер - середнє арифметичне температур ребра та повітря, що обду­ває, °С ;

W_пов - швидкість повітря у міжребровому просторі, м/с.

Середня швидкість повітря у міжребровому просторі циліндра та його головки приймається рівною W_пов = 20...50 м/с при діаметрі цилін­дра D - 0-75...125 ммта

W_пов = 50...60 м/с при D = 125...150 мм.

Поверхня охолодження ребер головки циліндра:

де Q_гол - кількість теплоти, яка відводиться повітрям від головки цилін­дра, Дж/с; t_гол - середня температура у підвалинах ребер головки, °С; t’_пов.вх - середня температура повітря у межребровому просторі головки, °С.

Середня температура у підвалинах ребер головки t_гол , °С:

із алюмінієвих сплавів 150...200

із чавуну 160...230. .

Підбір та розрахунок вентилятора для двигуна з повітряним охоло­дженням має ряд особливостей, і приклад такого розрахунку можна знайти в літературі, яка присвячена тільки таким двигунам.