Системы смазки ДВС

Здравствуйте уважаемые читатели моего блога. В этой статье рассмотрим Системы смазки ДВС.

Ведущая роль в работе современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания принадлежит масляному насосу. Сравнительно большие крутящие моменты при низких частотах вращения коленчатого вала, особенно у дизельных двигателей с наддувом, диктуют необходимость увеличения давления нагнетания и производительности масляных насосов. Это связано с тем, что при таких нагрузках происходит интенсивное нагревание конструктивных элементов двигателя, что, в свою очередь, приводит к перегрузке подшипников коленчатого вала. С другой стороны, повышение производительности масляных насосов ограничено необходимостью достижения низкого расхода топлива, так как мощность, расходуемая на привод насоса, может составлять до 8% мощности двигателя. Таким образом, на современном этапе автомобилестроения актуальным является вопрос регулирования производительности масляного насоса при различных режимах работы двигателя.

Существует большое количество разнообразных вариантов конструкций масляных насосов. Разумеется, что не все из этих конструкций подходят для применения в двигателях внутреннего сгорания. Основными критериями при выборе той или иной конструкции насоса являются:

  • габаритные размеры;
  • стоимость;
  • производительность.

В настоящее время серийно используются шестеренчатые масляные насосы с внешним и внутренним зацеплением шестерен, пластинчатые насосы и героторные насосы.

Шестеренчатые масляные насосы

Шестеренчатые насосы с внешним зацеплением шестерен. Такие насосы состоят из пары шестерен (рис. 2.1), находящихся в зацеплении и одна из которых является ведущей, а вторая – ведомой. Вращаясь вокруг своих осей, шестерни зубьями, не находящимися в данный момент времени в зацеплении, увлекают прокачиваемое масло из зоны всасывания в зону нагнетания.

Системы смазки ДВС

Рис. 1 – Шестеренчатый насос с внешним зацеплением шестерен

Недостатком таких насосов является невозможность достижения больших давлений нагнетания, так как это ведет к возникновению больших удельных давлений у ножек зубьев в зоне зацепления. Эти нагрузки могут быть снижены благодаря применению специального разгрузочного паза, однако, насосы с таким разгрузочным пазом не могут эффективно работать в широком диапазоне частот вращения (на малых оборотах производительность таких насосов существенно снижается). Кроме того, применение разгрузочного паза несколько удорожает конструкцию, поэтому, с целью снижения стоимости и ввиду того, что в системе смазки двигателя не требуется достижения слишком больших давлений, насосы такой конструкции выполняют без разгрузочного паза.

Преимуществом насосов с внешним зацеплением является довольно высокая производительность.

Шестеренчатые насосы с внутренним зацеплением шестерен. Насосы такой конструкции представляют собой так называемую двойную систему роторов, в которой имеются две шестерни (роторы) – наружная и внутренняя. Наружная шестерня имеет внутренний зубчатый венец, а внутренняя – наружный зубчатый венец. Обе шестерни установлены в корпусе масляного насоса с определенным эксцентриситетом друг относительно друга и находятся в зацеплении. В большинстве случаев ведущей является внутренняя шестерня, а наружная приводится во вращение за счет зацепления с ведущей. Различают две принципиально разные конструкции таких насосов – без разделительного серпа с разделительным серпом.

Конструкции без разделительного серпа в общем случае имеют роторы, числа зубьев у которых различается на 1, т.е. ZВНУТР = ZНАР – 1. Типичные числа зубьев роторов насосов такой конструкции находятся в пределах 4/5 – 13/14. В зависимости от геометрических параметров зацепления различают три разновидности насосов без разделительного серпа:

  • с зубьями, образованными сопряжением дуг окружности (рисунок 2а) или так называемая система Gerotor; преимущественное распространение такие системы получили на североамериканском рынке, где и были впервые сконструированы;
  • с зубьями, образованными несопряженными дугами окружности (рисунок 2б) или система Duocentric; преимущественное распространение такие системы получили в Европе; применение такого профиля позволило получить более компактное зацепление с более высокими зубьями, по сравнению с системами Gerotor, что привело к повышению производительности на 8 – 18%;
  • с циклоидальным зубчатым зацеплением (рисунок 2в) или система Duocentric IC (InterCity); обладают меньшей шумностью при работе благодаря плавной кинематике циклоидального зацепления.

              а)                                                б)                                             в)

Системы смазки ДВС

Системы смазки ДВССистемы смазки ДВС

 

 

 

 

 

Рис. 2 Разновидности масляных насосов без разделительного серпа в зависимости от геометрических характеристик зацепления шестерен:

а – зубья шестерен образованы сопряжением дуг окружностей; б – зубья шестерен образованы несопряженными дугами окружностей; в – циклоидальное зацепление.

Конструкции без разделительного серпа используются как в масляных насосах, приводимых непосредственно коленчатым валом двигателя, так и в насосах, расположенных в масляной ванне. В случае непосредственного привода от коленчатого вала типичными числами зубьев являются 8/9 – 13/14, что позволяет реализовать оптимальную высоту зубьев. В насосах, расположенных в масляной ванне, типичными числами зубьев являются 4/5 – 7/8 (обычно 6/7).

В конструкциях с разделительным серпом имеется специальная серповидная перегородка (серп), находящаяся между зубьями роторов в месте их наибольшего удаления друг от друга. Данная перегородка предназначена для уплотнения полостей нагнетания у большего числа зубьев, по сравнению с конструкциями без разделительного серпа.

Преимуществом насосов с разделительным серпом является более высокое рабочее давление. Однако такие насосы имеют несколько большие габаритные размеры по сравнению с конструкциями без разделительного серпа. В зависимости от геометрии зацепления различают две разновидности таких насосов:

  • с эвольвентным зацеплением (рисунок 3а);
  • с трохоидальным зацеплением (рисунок 3б).

а)                                                                                  б)

 

Системы смазки ДВССистемы смазки ДВС

Рис. 3 Разновидности масляных насосов с разделительным серпом в зависимости от геометрических характеристик зацепления шестерен:

а – эвольвентное зацепление; б – трохоидальное зацепление.

Шестеренчатые насосы с внутренним зацеплением шестерен с разделительным серпом приводятся непосредственно от коленчатого вала и размещаются в передней крышке картера двигателя, так как требования, предъявляемые к качеству масла, не позволяют размещать их в масляной ванне.

Героторный масляный насос.

Регулируемый героторный масляный насос способен поддерживать давление масла на уровне 3,5 кгс/см2 за счет изменения подачи практически во всем рабочем диапазоне скоростных режимов.

Регулирование подачи насоса производится с помощью промежуточного кольцевого корпуса, на который действует пружина регулятора.

Принцип работы насоса. Вращающийся вместе с ведущим валом внутренний ротор 3 увлекает за собой наружный ротор 2 (рис.2.4). Так как оси внутреннего и наружного роторов не совпадают, при их вращении на стороне всасывания происходит увеличение объемов, заключенных между зубьями. Всасываемое в результате этого масло перемещается на сторону нагнетания. На стороне нагнетания объемы между зубьями вновь уменьшаются, в результате чего масло вытесняется в магистраль системы смазки.

Системы смазки ДВС

 

Рис. рис 4.Регулируемый героторный масляный насос:

1 – промежуточный корпус; 2 – наружный ротор; 3 – внутренний ротор; 4 – пружина регулятора; а – при давлении масла ниже 3,5 кгс/см2; б – при давлении масла выше 3,5 кгс/см2

Работа насоса при давлении масла ниже 3,5 кгс/см2. При этом пружина регулятора (рис. 2.4 а) отжимает до упора промежуточный кольцевой корпус, преодолевая действующее на него давление масла (указано стрелками). Вместе с промежуточным корпусом изменяется положение внутреннего ротора таким образом, что объемы между зубьями наружного и внутреннего роторов увеличиваются на большую величину. В результате растет количество масла, подаваемого со стороны всасывания на сторону нагнетания и далее в магистраль системы смазки. Увеличение подачи масла приводит к повышению его давления.

Работа насоса при давлении масла выше 3,5 кгс/см2. Под давлением масла промежуточный корпус перемещается, преодолевая усилие пружины (рис. 2.4 б). Вместе с ним изменяет положение внутренний ротор, вызывая уменьшение прироста объемов между зубьями внутреннего и наружного роторов. В результате уменьшается количество масла, транспортируемого со стороны всасывания на сторону нагнетания, и подача масла в магистраль падает. При этом давление масла в ней соответственно снижается.

Пластинчатые (шиберные) масляные насосы

Шестеренчатые масляные насосы приводятся в движение от коленчатого вала двигателя, поэтому при повышении частоты вращения наблюдается повышение их производительности, в то время как потребление масла самим двигателем меняется незначительно. Кроме того, повышается приводная мощность насоса. Таким образом, чтобы регулировать производительность насоса в зависимости от числа оборотов привода, была разработана конструкция пластинчатого (шиберного) масляного насоса (рис. 5). Имея в своем составе небольшое количество конструктивных элементов, насос такой конструкции позволяет регулировать величину производительности за счет смещения наружного статора относительно центра вращения ротора. При максимальной частоте вращения коленчатого вала пластинчатый масляный насос нуждается лишь в половине приводной мощности по сравнению с шестеренчатыми насосами, что способствует снижению расхода топлива.

Системы смазки ДВС

Рис. 5 Конструкция пластинчатого (шиберного) масляного насоса

Для обеспечения нормального функционирования элементов системы регулирования фаз газораспределения (Vanos) в режиме холостого хода при различных температурах необходим масляный насос, обладающий более высокой производительностью и большим рабочим объемом, по сравнению с насосами, применяющимися в настоящее время в двигателестроении (шестеренчатые). Использование же насосов традиционной конструкции, но с большими рабочими объемами, как уже говорилось выше, неизбежно ведет к росту приводной мощности, а также к повышению температуры масла и его вспениванию.

Конструкция нового объемного масляного насоса с маятниковыми золотниками (рис. 6) позволяет изменять рабочий объем путем изменения эксцентриситета наружного ротора относительно центрального, и в связи с этим давление и производительность насоса. Эксцентриситет меняется при помощи специального регулирующего поршня, который в зависимости от давления масла изменяет положение наружного ротора. Такая конструкция насоса, по сравнению с обычными, позволила снизить механическую мощность привода до 2 кВт.

Системы смазки ДВС

Рис. 6  Конструкция объемного масляного насоса с золотниками маятникового типа:

1 – зона нагнетания; 2 – рабочий объем при максимальном эксцентриситете; 3 – поршень регулирования эксцентриситета; 4 – зона всасывания

Системы отделения масла от картерных газов

В зависимости от конструкции двигателя утечка газов из одного цилиндра двигателя в пространство картера составляет от 10 до 30 л/мин. В зоне работы маслосъемных колец, вследствие высоких скоростей перемещения поршня, картерные газы обогащаются частицами масла размером от 0,1 до 2 мкм. Кроме того, образованию масляного аэрозоля способствует и постоянное перемешивание масла в масляной ванне вращающимся коленчатым валом.

Картерные газы в своем составе содержат моторное масло, которое находится во взвешенном состоянии в виде масляного тумана. Фильтрующие модули в составе системы смазки современных двигателей имеют специальную систему отделения моторного масла от картерных газов (масляные сепараторы).

Существующие системы вентилирования картера двигателя позволяют осуществить два варианта удаления картерных газов:

  • отвод картерных газов в атмосферу;
  • возвращение картерных газов во впускной коллектор двигателя.

Первый метод вентилирования картера двигателя практикуется немногими производителями автомобильных двигателей, а на сегодняшний день он не соответствует требованиям по охране окружающей среды.

Второй метод снижает выброс в окружающую среду картерных газов, но, с другой стороны, из-за содержащихся в картерных газах частиц масла, возникают другие проблемы:

  • появление отложений на горячих конструктивных элементах двигателя, например, на лопатках турбокомпрессора, что ведет к снижению срока службы;
  • лаковые отложения в элементах системы охлаждения впускного воздуха;
  • замасливание впускного тракта;
  • повышение содержания твердых частиц в выхлопных газах.

Поэтому системы вентилирования картера современного двигателя внутреннего сгорания должны обеспечивать отделение частиц масла. Это вызвано ужесточением требований по охране окружающей среды, а именно снижения содержания твердых частиц в выхлопных газах.

Для отделения частиц масла от картерных газов используют масляные сепараторы различной конструкции. Изначально в качестве отделителя масла использовалось синтетическое волокно, которое в виде фильтрующей ткани устанавливалась в корпусе масляного сепаратора и задерживала частицы масла, увлекаемые потоком картерных газов в системе вентиляции картера двигателя (рис.7).

Системы смазки ДВС

Рис.7 Масляный сепаратор с синтетическим отделителем:

1 – синтетический фильтроэлемент; 2 – картерные газы, очищенные от масла; 3 – картерные газы, содержащие частицы масла; 4 – отделенное масло

Задержанное таким образом моторное масло собиралось на дне корпуса масляного сепаратора и, через отверстие, возвращалось обратно в масляную ванну двигателя. Конструктивно масляный сепаратор интегрируется вместе с масляным фильтром в так называемый фильтрующий блок (модуль) (рис.8).

Системы смазки ДВС

Рис. 8 Внешний вид фильтрующего блока:

1 – масляный фильтр; 2 – масляный сепаратор

Однако, в процессе эксплуатации свойства фильтрующей ткани из синтетического волокна постепенно ухудшались, так как она загрязнялась смолистыми веществами, образующимися в результате неизбежного старения масла и его окисления, а также твердыми частицами, преимущественно углеродом в форме сажи, особенно у дизельных двигателей. Загрязнение фильтрующей ткани вело к возрастанию сопротивления прохождения через нее картерных газов, что, в свою очередь, вело к ухудшению работы системы вентиляции картера двигателя и диктовало необходимость замены фильтроэлемента масляного сепаратора.

Чтобы избавиться от недостатков фильтрующей ткани из синтетического волокна был разработан масляный сепаратор, состоящий из четырех параллельно соединенных циклонов с оптимизированной геометрией (рис. 9).

Испытания данного сепаратора показали, что он при достаточно малом сопротивлении течению картерных газов способен задерживать частицы масла размером до 1 мкм. Компактное расположение циклонов позволило разместить их в прежнем корпусе масляного сепаратора, в котором использовалась фильтрующая ткань из синтетического волокна. Сравнительный анализ двух систем сепараторов показал, что сепараторы циклонного типа, обладая достаточно высокой надежностью, по производительности не уступают сепараторам с фильтрующей тканью, что обуславливает перспективу их использования в современном моторостроении.

Системы смазки ДВС

Рис. 9. Фильтрующий блок с циклонным масляным сепаратором:

1 – картерные газы, очищенные от масла; 2 – картерные газы, содержащие частицы масла; 3 – отделенное масло

Спасибо за внимание! Приходите к нам ещё!!))

 

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: