Зависимость износа двигателя от температуры

Работы по исследованию влияния низких температур на интенсивность изнашивания автомобилей, а также их агрегатов, систем и механизмов, ведутся многими авторами и организациями. Некоторые исследователи утверждают, что износ холодны х двигателей в процессе пуска составляет 50—70% от общих эксплуатационных износов. Другие авторы считают, что пусковые износы составляют около 7% эксплуатационных.

Такие расхождения объясняются тем, что исследования велись в разное время, на различных типах двигателей и в различных условиях (например, двигателях старых моделей, не имевших в цилиндрах антикоррозийных иирезистовых вставок). Вместе с тем, все без исключения исследователи подтверждают тот факт, что интенсивность изнашивания большинства элементов машин в условиях низких температур выше, чем в некотором диапазоне положительных температур.

По даннгм И. М. Примакова, износ двигателя В-6 при понижении температуры от 20 до —35° С увелиичвается в 2,0.-2,5 раза. А. А. Гуреев показал, что понижение температуры двигателя от -h20 до —30 °С ведет к увеличению скорости его изнашивания в 3 раза.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Г. С. Лосавио обобщил различные данные о величинах пусковых износов. Он предложил метод расчета величины пускового износа Двигателя в зависимости от температуры. В качестве параметра для сравнения величин ивносоз им принят диаметральный износ цилиндров за один пуск, выраженный в эквивалентном ему «пробеговом» износе цилиндров. На рис. 8 показана зависимость пробега, эквивалентного по износу одному пуску, от температуры двигателя при пуске по данным разных авторов.

Как видно из рисунка, при понижении температуры ниже — 0…—15 °С пусковые износы двигателей резко возрастают.

В наиболее неблагоприятных условиях с точки зрения износов при низких температурах находятся агрегаты трансмиссии — коробка передач и задние мосты. Многие авторы подтверждают, что наибольший износ шестерен главной передачи и коробки передач относится к условиям низких температур масла. Оптимальной температурой масла в этих агрегатах считается 50… 80 °С.

По данным А. И- Яговкина, с изменением температуры масла от +80 до 0 °С интенсивность изнашивания шестерен коробки передач и заднего моста увеличивается в 9—10 раз.

Изменение интенсивности изнашивания, естественно, влияет на показатели надежности. Общая схема воздействия низких температур на показатели надежности машин дана на рис. 9. Снижение надежности машин при низких температурах вызывается рядом причин. В свою очередь, эти причины приводят к увеличению частоты пусковых отказов, снижению долговечности элементов машин, ухудшению ремонтопригодности.

Наибольшее количество отказов наблюдается в самые холодные месяцы (рис. 10). По данным Якутского филиала Сибирского отделения АН СССР, число поломок рессор (1/100 тыс. км пробега) достаточно тесно коррелируется со снижением среднемесячной температуры окружающего воздуха (рис. 11).

Рис. 8. Зависимость пусковых износов двигателей от температуры:
1 — по Е. А. Чудакову; 2 — по О. В. Ды-бову; 3 —до В. П. Кариицкому; 4— по Л. Л. Демьянову; 5 — по Г. С. Лосавио; 6— по И. А. Туркевичу; 7 -по А. А. Гу-рееву; 8— по Г. С. Савельеву

Рис. 9. Общая схема воздействия низких температур на показатели надежности машин

Рис. 10. Распределение количества отказов по месяцам года:
1 — двигатель; 2 — подвеска; 3 — рулевой механизм (Якутский филиал СО АН СССР)

Причиной поломок рессор является хладноломкость, возникающая при воздействии на материал низких температур. Из сказанного следует, что необходимо проведение комплекса мероприятий, направленных на повышение надежности работы автомобилей при низких температурах.

Надежность автомобиля

Влияние теплового состояния двигателя на износ деталей ЦПГ

Одним из важнейших показателей теплового состояния двигателя является тепловая напряжённость, определяемая температурой наиболее «горячих» поверхностей трения, температурными перепадами наиболее нагретых частей двигателя – камер сгорания, днищ поршней, верхней зоны цилиндров, тарелок выпускных клапанов, перемычек в блоке и головках блока. Стенки цилиндров в зоне перемещения поршневых колец имеют средние температуры 100…130°C и наибольшие предельные – 170…180°C, а для двигателей с воздушным охлаждением – на 30…40°C выше; днища поршней из алюминиевых сплавов соответственно нагреваются до 240…260°C; центральная зона тарелок впускных клапанов имеет температуру соответственно 180…275 и 300…400°C, а выпускных – 600…700 и 800…850°C. Перечисленные диапазоны температур для различных деталей характерны для двигателей при нормальных условиях работы, при использовании надлежащих сортов топлив и масел, при соответствующих техническим условиям регулировках и т.д. В условиях же реальной эксплуатации зачастую имеют место значительные отклонения температур от указанных выше пределов.

От совершенства рабочего процесса, особенно в дизельных двигателях, в большой степени зависит образование отложений нагара и лака на деталях ЦПГ: в частности, закоксовывание поршневых колец с потерей ими подвижности, что обычно приводит к задирам сопряжённых с ними гильз цилиндров. Кроме того, по мере эксплуатации двигателей за счёт нагарообразования на днищах поршней и стенках камеры сгорания, возможны некоторое увеличение степени сжатия и ухудшение отвода тепла, а следовательно, и вероятности возникновения детонационных явлений, имеющих место при сгорании топлива не только в карбюраторных двигателях, но и в дизельных (главным образом, при работе их на лёгких сортах топлива и больших углах опережения впрыскивания топлива), во время которых особенно резко увеличиваются механические и термические нагрузки на детали, и повышается их изнашивание. При работе двигателя с детонацией значительно возрастает и температура верхней части гильз цилиндров, достигая 190…200°C и выше при полной нагрузке.

Оптимальные значения температур работы двигателя

Известно, что оптимальные значения температур охлаждающей жидкости и картерного масла для большинства автомобильных двигателей составляют 80…90°C. При пониженной температуре стенок цилиндров возникает коррозионно-механическое изнашивание, а также смывание масляной плёнки, образующейся топливной эмульсией. Согласно, при температуре воды в системе охлаждения, равной 30°C, износ двигателя в 6 раз больше, чем при температуре 80°C. На значения температур большое влияние оказывают режимы работы двигателя.

Р.В.Кугель показал, что износ цилиндров двигателей ЗИЛ при холодных стенках был в среднем в 8 раз больше, чем при испытаниях двигателей в горячем состоянии. Он отмечает, что при температуре стенок цилиндров менее 60°C имеет место коррозионный износ цилиндров, который незначителен при их температуре более 80°C. В этих условиях решающее влияние на изнашивание деталей ЦПГ оказывают прокачиваемость масла, своевременность его поступления к поверхностям трения и создание прочной масляной плёнки.

Коррозия стенок гильз цилиндров

Коррозия стенок гильз цилиндров возникает не только в период пуска и прогрева двигателя, но и при его охлаждении. Время охлаждения до температуры окружающей среды прогретого двигателя около 2…2,5ч в летних и 1ч в зимних условиях. Это время характеризуется наибольшей интенсивностью образования коррозии на стенках гильзы цилиндра. При последующих пусках плёнка коррозии разрушается, а продукты коррозии участвуют в трении как абразив.

Авторы расценивают износы в процессе холодного пуска, прогрева и остановок двигателя как важнейшую составляющую всех эксплуатационных износов, приравнивая, например, износ во время пуска при температуре -18°C к износу за 180-210 км пробега автомобиля.

Изнашивание само по себе также приводит к изменению теплового и температурного состояния деталей ЦПГ. Так, установлено, что температура цилиндров в верхней части, где имеют место максимальные износы гильз, при достижении ДВС предельного состояния увеличивается на 25-30°C со стороны рабочей поверхности и на 9-12°C со стороны рубашки охлаждения (напротив зоны максимальных износов). Соответственно с обеих сторон возрастает температура в нижней части цилиндра – на 10-15 и 4-5°C. В целом температура гильз со стороны охлаждаемой поверхности изменяется меньше (в пределах 8-15°C), чем со стороны зеркала цилиндра (на 20-40°C), что связано с перераспределением тепла по телу гильзы и более интенсивным его отводом в систему охлаждения с нерабочей поверхности. Причём разница в тепловых состояниях цилиндра увеличивается с ростом температуры гильзы. Такое явление объясняется тем, что увеличение частоты вращения коленчатого вала и нагрузки приводит к росту как абсолютных значений температур, так и теплоперепадов, а перепады температуры, в свою очередь, вызывают тепловые деформации гильз по образующей, что иногда имеет более опасные последствия, чем чрезмерно высокие или низкие температуры. Это обусловливается, прежде всего, ростом средних температур рабочего цикла и сокращением времени на теплоотвод от нагретых поверхностей в охлаждающую среду. Исследования показали, что перепады температур поверхностей гильз цилиндров в зависимости от режима работы двигателя сохраняются при любой степени его изношенности.

Влияние низкой температуры на пусковые износы двигателей

В Российской Федерации около 80% грузовых автомобилей и другой техники эксплуатируется в зонах с довольно продолжительным холодным периодом. Так, в районах Крайнего Севера России продолжительность зимнего периода превышает 300 дней в год, а температура воздуха опускается ниже – 60 о С. В районах умеренного климата отрицательные температуры воздуха наблюдаются полгода. В этих условиях, как правило, хранение техники безгаражное. Такие условия эксплуатации предъявляют высокие требования к надежности подвижного состава автомобильного транспорта, к качеству эксплутационных материалов и технологическому оборудованию по предпусковой подготовке. Особенно актуальна эта проблема для двигателей, на которые приходится основная часть отказов, особенно в зимнее время.

Наиболее обоснованное объяснение пусковых износов дал Г.С. Лосавио. Поверхность деталей двигателя (гильз цилиндров, поршневых колец, шеек коленчатого вала, вкладышей) имеет микровыступы и микровпадины. Масло, включающее полярно-активные молекулы, прилипает к поверхности деталей. Благодаря этому масляная пленка надежно разделяет трущиеся поверхности, как в начале трения деталей, так и при их относительном движении с небольшими скоростями, что характерно для пусковых оборотов коленчатого вала. Эта пусковая масляная пленка в тонком слое обладает при низкой температуре повышенной механической прочностью из-за высокой вязкости.

В других условиях оказываются и трущиеся поверхности, и пусковая масляная пленка в последующий после пуска период прогрева двигателя на холостых оборотах. При этом частота вращения коленчатого вала существенно выше (в 3-4 раза), но свежее масло еще не подается к поверхности трения из-за ее низкой температуры и высокой вязкости. Пусковая масляная пленка начинает разрушаться из-за быстрого повышения температуры, снижения вязкости и несущей способности. Эти процессы протекают в двигателе в течение 0,5-2 мин (Рис. 2.73), то есть в несколько раз продолжительнее самого пуска (5-15 с).

Во второй более длительный период прогрева (3-7 мин) двигателя на холостом ходу действуют все разрушительные факторы первого периода. Но в это время уже поступает масло из картера двигателя и температура и интенсивность изнашивания поверхностей трения снижаются. Следовательно, основной износ трущихся поверхностей обусловлен суммарным влиянием указанных факторов и происходит в период после пускового прогрева холодного двигателя. Используя эти соотношения и экспериментальные данные нескольких исследователей, была построена кривая (Рис. 2.74) пробега эквивалентного одному пуску по износу в зависимости от температуры окружающего воздуха. Видно, что в интервале температур от -30 о С до +30 о С этот пробег, а, следовательно, и потеря ресурса, возрастает в шесть раз.

Рис. 2.74. Зависимость пусковых износов двигателей от температуры по данным
различных исследователей:

1- по Е.А. Чудакову: 2- по О.В. Дыбову; 3- по В.В. Карницкому; 4- по Л.А. Демьянову; 5- по Г.С. Лосавно;
6- по А.И. Туркевичу; 7- по А.А. Гурееву; 8- по Г.С. Савельеву.

После пуска и прогрева тепловой режим двигателя существенно зависит от температуры окружающего воздуха. Так температура охлаждающей жидкости в двигателях КамАЗ-740 при температуре окружающей среды +20 о С составляет в среднем 86 о С, а при температуре окружающего воздуха -20 о С в среднем 68 о С. Это также существенно сказывается на интенсивности изнашивания деталей двигателей.

При низкой температуре вследствие высокой вязкости масла его расход через пары трения недостаточен, из-за чего температура масляной пленки и поверхности трения высокая. По мере прогрева масла расход его через пары трения возрастает, что снижает температуру поверхности трения. Дальнейшее повышение температуры масла ведет к пропорциональному увеличению температуры поверхности трения, так как расход масла через пары трения при этом уже стабилизируется. Выполненные экспериментальные исследования по оригинальным методикам подтверждают полученные данные, о чем можно судить по Рис. 2.75.

Рис. 2.75. Зависимость температуры t коренных вкладышей (1), интенсивности изнашивания α шатунных (2) и коренных (3) шеек, гильз цилиндров (4) от температуры t_м масла в картере двигателя.

Для обеспечения надежного запуска в зимнее время необходимо выполнить условие: частота вращения коленчатого вала стартером должна быть выше пусковой частоты. Минимальная пусковая частота по мере снижения температуры окружающего воздуха увеличивается (Рис. 2.76)

Рис. 2.77. Зависимость минимальных пусковых оборотов дизеля СМД-14 от температуры окружающего воздуха.

Частота вращения коленчатого вала стартером при снижении температуры окружающего воздуха уменьшается (Рис. 2.78) из-за снижения емкости аккумулятора, которая обусловлена повышением вязкости электролита и ухудшением условий подзарядки.

Рис. 2.78. Зависимость минимальных пусковых частот n вращения коленчатого вала двигателя КамАЗ от температуры окружающего воздуха t_воз:

1 – без применения элетрофакельного подогревателя; 2 – с применением электрофакельного подогревателя.

Поэтому для обеспечения надежности зимнего запуска двигателя необходима тепловая подготовка, в том числе и индивидуальная с помощью пусковых подогревателей. Об эффективности их можно судить по данным (Рис. 2.78) из которых видно, что надежный пуск при использовании пускового подогревателя достигает температуры окружающего воздуха – 30 о С, в то время как без него только – 10 о С.

Таким образом, для повышения надежности автомобилей в зимнее время необходимо улучшить условия запуска двигателя за счет использования различных способов и средств тепловой подготовки, в том числе и индивидуальных пусковых подогревателей.