Тепловые режимы работы агрегатов автомобилей

Оптимальное значение температур охлаждающей жидкости и моторных масел большинства автомобильных двигателей лежит в интервале 85-95 0 С. 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 0 С 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 0 С (кратковременно до 290 0 С). 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 0 С. 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 0 С. 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.

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 0 С, далее начинать движение на пониженных передачах до достижения температуры жидкости 80 0 С. 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 0 С. 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 0 С 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 0 С до +50 0 С. 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 0 С, температура масла в главной передаче не поднимается выше +20 0 С; при температуре окружающего воздуха ниже –40 0 С, температура масла там вообще не поднимается выше 0 0 С.

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.

Влияние эксплуатационных факторов на режимы работы элементов автомобиля

Параметры приведенных во второй главе зависимостей показателей технического состояния автомобилей от наработки существенно зависят от условий эксплуатации. Эксплуатационные факторы изменяют в первую очередь условия нагружения элементов автомобиля, то есть режимы их работы (рис.3.45). Поэтому для выявления степени влияния эксплуатационных факторов на нормативы технической эксплуатации автомобилей необходимо, в первую очередь, проанализировать их влияние на показатели режимов работы элементов.

По влиянию на надежность элементов автомобиля факторы подразделяются на конструктивно-технологические, эксплуатационные и организационно-технические (рис.3.1). Основными эксплуатационными факторами являются дорожные, транспортные и природно-климатические. Приведенные группы факторов можно подразделить на более конкретные виды, имеющие свои измерители, что схематично показано на рис.3.46. С точки зрения нормирования технической эксплуатации измерители эксплуатационных факторов должны быть численными и, по возможности, интегральными. Поэтому связь между измерителями и видами эксплуатационных факторов довольно сложная и неоднозначная (рис.3.46). В приведенной схеме указаны, конечно, не все измерители эксплуатационных факторов, а лишь основные и интегральные.

Действующими в настоящее время нормативами [137] при корректировании нормативов ТО и Р учитывается лишь часть измерителей и не всегда в численном виде (например, категория условий эксплуатации). Наиболее обоснованным и достоверным является корректирование нормативов в зависимости от природно-климатических факторов.

Для выбора основных измерителей эксплуатационных факторов необходимо, в первую очередь, оценить реальные пределы их изменения (вариацию), а затем степень влияния на режимы работы агрегатов и показатели их надежности. В зависимости от различного сочетания дорожного покрытия и рельефа местности, по данным [50], коэффициент сопротивления движению y изменяется от 0,012 до 0,31, то есть в 25 раз, а в среднем в 10 раз.

Рис.3.45. Схема причинно-следственной связи факторов технической эксплуатации автомобилей

Рис.3.46. Схема факторов, определяющих надежность автомобиля

Одним из наиболее интегральных показателей эксплуатационных факторов является среднетехническая скорость автомобиля [15, 52, 44, 45, 50], которая зависит от многих других эксплуатационных факторов. Однако, нельзя сказать, что скорость это единственный интегральный показатель, так как одинаковую скорость автомобиля можно обеспечить и при других сочетаниях других измерителей эксплуатационных факторов, а, следовательно, и различных режимах работы агрегатов и их надежности. В зависимости от сочетания эксплуатационных факторов средняя техническая скорость автомобиля может изменяться до пяти раз. Наиболее значительно и однозначно скорость зависит от таких показателей помехонасыщенности маршрутов, как интенсивность движения, количество помех (светофоров, поворотов, перекрестков и др.) на единицу пути.

Из группы транспортных факторов существенно изменяются такие факторы, как коэффициенты использования пробега — b, грузоподъемности — g, прицепов К_пр. Интегральным показателей нагрузки на автомобиль может быть коэффициент использования нагрузки

который оценивает степень использования перевозочной способности автомобиля относительно номинальной. В реальных условиях средняя нагрузка на автомобиль за определенные периоды (месяц, квартал, год) может изменяться до четырех раз.

Из природно-климатических факторов в массовом масштабе наиболее существенно изменяется средняя годовая температура воздуха, которая определяет в основном тепловой режим работы агрегатов. Эта группа факторов в настоящее время учитывается по пяти природно-климатическим зонам [446]. Кроме того, в работах Л.Г.Резника и его учеников [148] довольно значительно обоснованы перспективы совершенствования корректирования нормативов ТЭА по природно-климатическим условиям.

Таким образом, указанные измерители эксплуатационных факторов довольно полно описывают совокупность сочетаний эксплуатационных факторов и изменяются в широких пределах. О степени влияния некоторых факторов на надежность автомобилей свидетельствуют экспериментальные данные [98] для определенной природно-климатической зоны, которые приведены в табл.3.5.

Степень влияния дорожных и транспортных факторов

на надежность автомобилей, % [98]

Из табл.3.5 видно, что коэффициент сопротивления движению
(y = ¦ + i), характеризующий состояние дорожного покрытия и рельеф местности, на 41 — 51% определяет надежность автомобилей. Коэффициент помехонасыщенности П, характеризуемый отношением скорости в эталонных условиях к скорости в фактических условиях, в среднем на 20% обуславливает надежность автомобиля. Факторы, характеризующие нагрузку на автомобиль (b, g, К_пр), обуславливают надежность на 24-30%.

Следовательно, при неизменных природно-климатических условиях в качестве интегральных измерителей эксплуатационных факторов целесообразно принимать скорость автомобиля, нагрузку на автомобиль и коэффициент сопротивления движению. С точки зрения единицы измерения измерителей эксплуатационных факторов целесообразна их универсальность для всех автомобилей (или для определенных групп: грузовые, автобусы, легковые и др.). Поэтому желательно, чтобы они были безразмерными (относительными). Этому условиях отвечают y и К_N.

В качестве оценочного безразмерного показателя скорости в работах [98] предложен коэффициент помехонасыщенности П, определяемый как отношение скорости полностью груженого автомобиля без прицепа на горизонтальном участке асфальтированной дороги первой технической категории (эталонной скорости V_эт) к фактической скорости V груженого автомобиля. Однако этот показатель обратно пропорционален скорости, и поэтому удобнее скорость оценивать обратной П величиной, которая изменяется в основном от 0 до 1 и прямо пропорциональна фактической скорости.

Эталонная скорость V_эт обычно указывается в технической характеристике автомобиля. Этот измеритель целесообразно показывать коэффициентом использования скорости d_V (по аналогии с g и b). Он характеризует степень использования потенциальных скоростных качеств автомобиля

Таким образом, указанные измерители эксплуатационных факторов при неизменных природно-климатических условиях достаточно полно описывают совокупность сочетаний эксплуатационных факторов. В дальнейшем необходимо оценить степень влияния их на режимы работы. Однако до этого целесообразно конкретизировать показатели режимов работы агрегатов.

Вследствие отсутствия единой общепринятой классификации и терминологии характерных для эксплуатационных условий режимов работы агрегатов затруднен анализ и обобщение выполненных различными авторами исследований. Режимы часто характеризуют как установившиеся и неустановившиеся, постоянные и переменные, статические и динамические, стационарные и нестационарные. Все эти названия режимов, в основном, разделяют их по степени изменения показателей во времени, то есть по переменности. Наиболее целесообразно разделять эксплуатационные режимы работы агрегатов на постоянные и переменные.

Под режимами работы понимают различные рабочие состояния агрегатов и узлов автомобиля, характеризующиеся величиной нагрузки на детали, скоростью относительного перемещения деталейи их температурой, а также степеньюих изменения во времени. Режимы работы численно оцениваются рядом показателей.

Для автомобильных агрегатов и узлов характерны переменные эксплуатационные режимы (до 98% времени работы). Характеристи­ками таких режимов могут быть средний уровень показателя, определяющий общую напряженность режима (например, средняя часто­та вращения коленчатого вала двигателя), средняя амплитуда и средняя частота изменения показателя режима во времени. Терминология различных сочетаний режимов работы и их смысл поясняется рис.3.48. Эксплуатационные режимы разделяются на постоянные и переменные. На постоянных режимах их показатели не изменяются во времени на довольно длительных промежутках. Установившимися при этом будем называть такие режимы, при которых есть определенный закон изменения показателей во времени (постоянный, синусоидальный, пилообразный и др.), а не случайный, при котором режим неустановившийся.

Рис.3.48. Классификация режимов работы агрегатов по переменности показателей у во времени

В соответствии с приведенной на рис.3.48 классификацией режимов автомобильные агрегаты работают в переменных неустановившихся ре­жимах (рис.3.48, кривая 2). Амплитуда и частота изменения показателя режима в данном случае носят условный характер, так как режимы имеют в каждый интервал времени различную амплитуду и частоту. При применении средних значений амплитуды и частоты режим работы условно заменяется переменным установившимся с постоянной амплитудой и частотой (рис.3.48, кривая 1). Амплитуда и частота такого эквивалентного режима определяются как характеристики распределения показателей по результатам режимометрирования.

При режимометрировании весь диапазон изменения показателя режима разделяется на интервалы, в которых устанавливаются датчики, фиксирующие время работы агрегата в этоминтервалес помощью счетчиков, а также количество включений данного датчика. Например, показателем скоростного режима работы дизеля может быть ход рычага управления всережимным регулятором топливного насоса высокого давления. Разделяя весь рабочий диапазон хода рычага на интервалы и фиксируя время и количество включений датчика каждого интервала, получают данные для по­строения гистограммы (рис.3.49), по которой и анализируют показатели скоростного режима. Аналогично определяли показатели нагрузочного и теплового режимов, для чего разработали и использовали соответствующие режимомеры и методики [15, 44, 47, 50].

Рис.3.49. Фактическое изменение показателя режима во времени у и гистограмма его распределения, построенная по этому изменению

Средний уровень показателя режима (например, средней частоты вращения коленчатого вала) вычисляется по гистограмме распределения (рис.3.49)

гдеy_i — значение показателя в i -м интервале;k- число интервалов;
q_i -частость или относительное время работы агрегата в i-м интервале (q_i = t_i/t; t — общее время заезда при режимометрировании).

Измерителем амплитуды изменения показателя режима явля­ется среднее квадратическое отклонение, которое для большин­ства типов режимов в среднем в 1,4 раза меньше амплитуды, поэтому

Частоту изменения режима определяют с помощью распределения Y_i (рис.3.49) и аналогичного распределения количества включений i-го счетчика K_i по формуле:

где ¦_yi — частота включений i-го счетчика.

Основным агрегатом автомобиля является двигатель. Для оценки режимов работы автомобильных двигателей используется ряд показателей [15, 35, 43, 44, 79, 98]. Одни из них характеризуют общую напряженность режима (средняя частота вращения коленчатого вала, количество оборотов коленчатого вала на I км пробега автомобиля, средняя нагрузка на двигатель), другие характеризуют его переменность (интенсивность изменения нагрузки W_p , кН/м 2 с, угловое ускорение коленчатого вала j, 1/с 2 ). Показатели W_p и j являются интегральными показателями переменности, отражающими как амплитуду, так и частоту изменения режима. Однакоих измерение в эксплуатации затруднено. Поэтому для двигателей в качестве основных показателейпеременности режима целесообразно использовать среднюю частоту вращения коленчатого вала (характеризующую среднюю напряженность скоростного режима), среднюю нагрузку на двигатель (напряженность нагрузочного режима), среднюю амплитуду A_n, A_p и частоту ¦_n, ¦_pизменения соответственно n и p (перемен­ность скоростного и нагрузочного режима), температуру t масла в картере или охлаждающей жидкости (тепловой режим).

За показатели режимов работы других агрегатов и систем автомобиля обычно принимают [50]: среднее передаточное число коробки передач, характеризующее напряженность скоростного и нагрузочного режима, число переключений коробки пере­дач торможении, выключений сцепления на 1 км пробега, харак­теризующее переменность режимов, температуру масла в картере коробки передач, ведущих мостов, температуру накладок сцепле­ния, тормозных накладок, характеризующую тепловой режим. Указанные показатели режимов работы агрегатов зачастую имеют тесную взаимосвязь, вследствие чего для фактического использования их количество может быть сокращено без снижения достоверности анализа.

Эксплуатационные факторы определяют режимы работы агрега­тов и узлов, поэтому между ними существуют зависимости, которые не являются детерминированными, а носят вероятностный (стохастический) характер. Вероятностный характер обусловлен одновременным воздействием (сочетанием) на элементы автомобиля многих эксплуатационных и других факторов.