Конспект лекции на тему "Смазка цилиндров тронковых и крейцкопфных двигателей"

7.3. Смазывание цилиндров, поршней и поршневых колец

Смазывание цилиндров. Поршни и кольца, скользящие по поверхности цилиндра, должны быть разделены масляной плен­кой, обеспечивающей 1) минимальный износ колец, цилиндра и поршня, 2) эффективное уплотнение от прорыва газов, 3) охлаждение и 4) промывание трущихся поверхностей.

Задача поршневых колец заключается в равномерном распреде­лении подведенного в цилиндр масла в соответствии с указанными требованиями, и прежде всего — по высоте втулки цилиндра. При этом, учитывая более высокие температуры и испарение мас­ла с поверхности, а также более интенсивную электрохимическую коррозию в верхней части цилиндра, последняя должна получать масла больше. Если подача масла не регулируется и оно подводит­ся в избытке (а это характерно для тронковых двигателей со смазы­ванием разбрызгиванием), то поршневые кольца должны обеспечи­вать поддержание слоя масла, достаточного для осуществления гидродинамического трения, а избыток масла сбрасывать в картер, одновременно препятствуя его попаданию в камеру сгорания. Существуют три способа смазывания цилиндров:

1)смазывание смесью — масло, в количестве 10—15 % примешан­ное к бензину, поступает в цилиндр, большая часть его сгорает, часть же оседает на стенках цилиндра и растаскивается по его по­верхности кольцами (в мотоциклетных, лодочных карбюраторных двигателях);

2)смазывание разбрызгиванием — масло, вытекающее из подшип­ников кривошипно-шатунного механизма, забрасывается на ниж­нюю часть втулки цилиндра и разносится по втулке вверх поршне­выми кольцами при движении поршня вверх, избыток масла сбрасывается в картер маслосъемными кольцами при движении поршня вниз (в тронковых средне- и высокооборотных двигателях);

3)принудительное смазывание от лубрикаторов — масло поступает на поверхность цилиндров от специальных насосов — лубрикаторов через штуцера, ввернутые в отверстия во втулке и равномерно расположенные по ее окружности на расстоянии не менее 0,36—0,38 мм. По обе стороны от отверстий обычно выфрезерованы маслораспределительные канавки, направленные под углом вниз и предпочтительно соединяющиеся друг с другом, тем самым образуя кольцевую волнообразную канавку, с помощью которой масло распределяется по окружности цилиндра. Края канавок закруглены в, целях образования масляного клина при движении мимо них поршневых колец. Вверх и вниз от отверстий масло разносится поршневыми кольцами (в крейцкопфных и некоторых среднеоборотных двигателях, в которых масло подается в цилиндры как лубрикаторами, так и разбрызгиванием).

Лубрикатор — многоплунжерный насос высокого давления — применяют для дозированной подачи масла в цилиндры двигателя под давлением 0,5—0,7 МПа. В корпусе лубрикатора обычно раз­мещается 10—12 плунжерных насосов, каждый из которых подает масло к одной точке для смазывания.

Дозированную подачу масла можно осуществлять с помощью золотников, регулирующих количество масла, поступающего к на­сосному элементу, или путем изменения полезного хода плунжера.

В корпусе 7 лубрикатора двигателей БМЗ—МАН—Бурмейстер и Вайн (рис. 7.12) размещаются плунжерные пары. Привод плунжеров осуществляется от кулачков 9, сидящих на общем валике 8 который приводится во вращение от вала топливных насосов. Масло к плунжерам 6 поступает из корпуса через нижние шариковые клапаны 5 и нагнетают его через верхние клапаны 3 в прозрачную пластмассовую ротаметрическую трубку 2, имеющую канал, с небольшой конусностью, внутри которого находится металлический шарик. Во время нагнетательного хода плунжера давлением масла шарик поднимается. Высота подъема шарика характеризует подачу цилиндрового масла. При попадании воздуха в корпус одного из плунжерных насосов подача масла прекращается, и шарик опускается.

Подачу масла дозируют изменением хода плунжера насоса. Обычно ход плунжера составляет 2 мм, но может быть увеличен до 6 мм. Для изменения подачи всех плунжеров поворачивают экс­центричную ось 10 рычагов, через которые кулачки воздействуют на плунжеры. Ход каждого плунжера можно регулировать вин­том 1. Установкой эксцентричной оси в определенное положение и с помощью регулировочного винта ограничивают перемещение нижнего конца рычага вправо и тем самым ход плунжера, Масло заливают в лубрикатор через сетчатый фильтр до верхнего уровня смотрового стекла. Для удаления воздуха из насосных элементов отвертывают винт 4, рукояткой вращают эксцентричную ось рыча­гов, приводят действие плунжеры. Прокачивание прекращают пос­ле появления сплошной струи масла из воздушных отверстий. Для удаления воздуха из системы отсоединяют трубки у точек сма­зывания и прокачивают систему.

В мощных тронковых двигателях Вяртсиля Ваза-32 и 46 ЦПГ смазывают маслом, поступающим по шатуну на охлаждение поршня (рис. 7.13). Из полости а охлаждения по каналу b масло поступает в равномерно расположенные по окружности сопла, далее оно рас­пределяется по проточенной в тронке поршня канавке с и заполня­ет зазор между поршнем и втулкой. Остальное масло по каналу d сливается в картер.

Подобный метод гарантирует надежное поступление масла и ис­ключает появление микрозадиров и большие износы, вероятность которых в высоконапряженных двигателях достаточно велика. Обильный подвод масла требует применения колец с большим маслосбрасывающим действием в целях уменьшения его заброса в ка­меру сгорания и потерь на угар.

Смазывание разбрызгиванием является наиболее простым ре­шением, но по сравнению с принудительным способом оно облада­ет двумя, существенными недостатками:

1)  подача масла на втулку цилиндра нерегулируема и, как правило, избыточна;

2)  на втулку по­падает несвежее масло, проработавшее в циркуляционной системе смазки, частично окислившееся и потерявшее в известной мере ней­трализующее и другие необходимые, свойства.

В противополож­ность отмеченному, принудительное смазывание позволяет строго дозировать подачу масла в цилиндры и подавать свежее масло, наиболее удовлетворяющее по своим характеристикам требованиям смазки цилиндров и нейтрализации в них кислых соединений.

Подаваемое в цилиндры масло расходуется на

-         смазывание ра­бочих поверхностей цилиндров, поршневых колец, поршней,

-         забрасывается в камеру сгорания и продувочно-выпускные окна (в двухтактных двигателях) либо

-         сбрасывается в картер или в подпоршневые полости.

Масло, распределяемое тонкой пленкой по поверхности цилиндра, выполняя функцию разделения трущихся поверхностей, одновременно нагревается, подвергается воздейст­вию горячих, агрессивных продуктов сгорания и воздуха, большим тепловым потокам со стороны поршня. В масле в результате окисли­тельных процессов образуются органические кислоты, оно насы­щается сильными неорганическими кислотами, сажей. Большая часть масла, особенно находящаяся на верхней поверхности ци­линдра, испаряется. Пары масла диффундируют в воздух и сгора­ют либо уносятся с выпускными газами в выпускной тракт. Осталь­ная часть масла, ставшая более вязкой и вобравшая в себя продук­ты сгорания, частично сбрасывается поршневыми кольцами в кар­тер либо в подпоршневые полости, частично остается на стенках цилиндра и поршней, преобразовываясь в лаки и нагары.

На толщину масляной пленки на поверхности цилиндра оказы­вают влияние:

1)       количество подаваемого масла и способ подвода;

2)       скорость движения колец вдоль поверхности цилиндра, зависящая от скорости поршня двигателя;

3)        радиальное давление колец на втулку, определяемое нагрузкой цилиндра, упругостью колец и их расположением на поршне;

4)       качество рабочей поверхности ци­линдра (шероховатость);

5)       свойства масла (вязкость, маслянистость, термическая стабильность и пр.);

6)       температура и давление газов в цилиндре, температура смазываемых поверхностей втулки, поршня.

Необходимое возобновление или освежение масляной пленки на рабочей поверхности цилиндра в двигателе с подачей масла раз­брызгиванием происходит при каждом ходе поршня вверх. В дви­гателе с принудительным смазыванием нарушение поступле­ния масла из штуцеров в известной мере нарушает цикличность во­зобновления пленки на поверхности цилиндра. Для сохранения мас­ляной пленки необходимо, чтобы количество возмещаемого масла G_M покрывало его расход , обусловленный испарением и сгора­нием масла , его забрасыванием кольцами в камеру сгорания  (частично это масло сгорает, переходит в нагары, уносится с вы­пускными газами), сбросом частично окислившегося масла в выпуск­ные окна, где оно откладывается в виде нагара, и в подпоршневую полость или в картер:

Если подача масла в цилиндр недостаточна (), то под­держание масляной пленки необходимой толщины становится не­возможным, режим трения из жидкостного может перейти в гранич­ный или в пределе - к сухому трению.

Роль поршневых колец в формировании масляной пленки. Поршневое кольцо в радиальном направлении испытывает действие силы газов Р_г (рис. 7.14), проникших в заколечное пространство и прижи­мающих кольцо к поверхности втулки цилиндра. В этом же направ­лении действует и сила упругости  металла самого кольца. Сумма сил  представляет собой радиальную силу, которая благодаря падению давления газов вдоль образую­щей, поршня, (сказывается лабиринтное действие колец) максималь­на у первого кольца и минимальна у последнего. Первое кольцо ввиду большого, радиального давления на ходе сжатия срезает часть масла с поверхности втулки и гонит его перед собой, созда­вая, валик, заполняющий зазор между боковой поверхностью го­ловки поршня и втулкой цилиндра. Это масло можно считать поте­рянным, так как оно либо забрасывается в камеру сгорания, либо полимеризуется и сгорает в зазоре, образуя при больших подачах масла в цилиндр на головке поршня твердые отложения золы при­садок.

При трении твердых отложений о рабочую поверхность цилин­дра на ней образуются полосы натира и даже износа, располагаю­щиеся в плоскостях нахождения масляных штуцеров. Захвату масла кольцами и поршнем способствует насосное действие колец» усиливающее перекачивание масла в камеру сгорания. Перекачи­вание масла или проход его через кольцевое уплотнение вверх про­исходит в те короткие промежутки времени, когда кольцо под действием силы инерции своей массы меняет опорную торцовую по­верхность (см. рис. 3.5, ж). Это происходит во время насосных хо­дов четырехтактного двигателя, когда кольца разгружены от силы действия газов. В двухтактном двигателе кольца практически все время прижаты своей нижней торцовой поверхностью к поверх­ности кепа поршня, поэтому влияние перекачивания масла в них отсутствует.

 Интенсивное перекачивание масла и связанное с этим увеличе­ние расхода на угар наступает ввиду плохого прилегания колец к опорным поверхностям при сильно изношенных или плохо обра­ботанных поршневых канавках. Рабочая поверхность поршневого кольца в процессе истирания приобретает слегка бочкообразную форму что обусловливает появление при движении в слое масла под ним клина и сопутствующего ему расклинивающего эффекта. Возникающая гидродинамическая сила Р_ГД будучи направленной против радиальной силы Р_рад отжимает кольцо от поверхности цилиндра, кольцо всплывает, оставляя под собой слой масла δ.

Силы Р_рад и Р_ГД в свою очередь зависят от силы действия га­зов, в цилиндре, связанной с положением поршня и скоростью его движения. С увеличением скорости поршня, равно как и вязкости масла, гидродинамическая сила растет, сила действия газов в свою очередь снижается, и равенство сил достигается при большей толщине слоя масла. Этим, а также суммарным действием ранее перечисленных факторов объясняется неодинаковая толщи­на пленки масла по высоте цилиндра (рис. 7.15). Вблизи ВМТ, где скорость поршня близка к нулю, толщина слоя минимальна, и условия трения близки к граничному. Зона граничного трения от ВМТ распространяется вниз на значительный участок втулки, так как здесь, помимо малой скорости поршня, отрицательное влия­ние на пленку оказывают также высокие температуры, снижающие вязкость масла и способствующие его интенсивному испарению. Вблизи НМТ благодаря интенсивному забросу масла из картера толщина пленки достигает максимального значения. Однако по мере продвижения вверх она быстро уменьшается, что определяется маслосбрасывающим действием колец. Второго максимума толщи­на δ достигает в зоне, расположенной от середины хода поршня вниз; именно здесь поршень развивает максимальную скорость, сила гидродинамического давления на поршневые кольца со сторо­ны масла увеличивается, а температура и интенсивность испарения масла с поверхности не столь велики.

На большей части хода поршня толщина пленки составляет более 20 мкм, поэтому режим смазывания здесь носит гидродинами­ческий характер. Приведенный пример относится к высокооборот­ному двигателю, в^; двигателе малооборотном в связи с меньшими скоростью поршня и подачей масла на смазывание цилиндров тол­щина слоя масла меньше, однако и в них режим смазывания в ос­новном носит гидродинамический характер. Исключение состав­ляют зоны ВМТ и НМТ, более протяженные, чем в высокооборот­ных двигателях, где режим смазывания подчиняется законам гра­ничного трения.

Эффективное смазывание существенно затрудняется или нарушается там, где имеется пропуск газов вдоль образующей цилиндра — независимого от того, вызван он нарушением цилиндричности вследствие деформации или износа, или нарушениями в работе колец (потеря упругости, зависание в кепах, поломка). В местах прорыва газов масляная пленка перегревается, окисляется, сгорает или сдувается; если в таких случаях локальные участки поверхности металла остаются незащищенными, это способствует как коррозионному, так и механическому изнашиванию. Особенно велика опасность прорыва газов через первое поршневое кольцо. Прорыв газов происходит всегда через открытые замки поршневых колец, особенно опасна ситуация, когда замки колец выстраиваются в одну линию. Поэтому важно сохранение подвижности колец в кепах, когда кольца имеют возможность непрерывно вращаться, занимая положения, не зависимые друг от друга.

Пропуск газов через кольца вследствие их неплотного приле­гания определяют по появлению на кольцах местных пятен (ожо­га), а на втулке -темных полос. Особенно тяжелые условия смазы­вания отмечаются в двухтактном двигателе в поясе выпускных окон, где существуют благоприятные условия для сдувания масла с поверхностей втулки, колец и поршня в момент прохождения его мимо окон и их открытия. Этим объясняются повышенные износы втулок в поясе окон и задиры, типичные для двигателей с петлевой схемой газообмена.

Определение количества и регулирование подачи масла лубри­катором. Масло, поданное в цилиндр лубрикатором, должно разде­лить трущиеся поверхности ЦПГ путем создания на них слоя, состоящего из адсорбированных полярных молекул (граничная смазка) или более толстого слоя масла (жидкостная смазка). В этих случаях внешнее трение сопряженных поверхностей заменя­ется на внутреннее трение между слоями масла, при котором резко уменьшаются работа трения и износ. Но количество поступаю­щего масла должно быть достаточным для нейтрализации щелоч­ными соединениями масла коррозионно-активных кислот, конден­сирующихся на стенках цилиндра при работе двигателя на сернис­тых топливах. Поэтому расход масла, имеющего высокую щелоч­ность, может быть установлен ниже расхода слабощелочного масла.

Подача масла при заданной его щелочности считается достаточ­ной, если при использовании топлива с содержанием серы более 2 % щелочность отработавшего масла, стекающего со стенок цилин­дра в подпоршневую полость, превышает 10 мг КОН/г.

Дозировку масла осуществляют общим регулированием подачи лубрикатора. Если по условиям плавания предполагается длитель­ная работа двигателя на режимах малых нагрузок, то во избежание чрезмерного расхода масла, загрязнения цилиндра продуктами полимерзации и замасливания выпускного тракта следует умень­шить подачу лубрикатора.

При использовании в двигателе тяжелого топлива с высоким со­держанием серы рекомендуется перед началом маневров увеличить подачу масла и возвратить ее на прежний уровень лишь после вы­вода двигателя на режим постоянной нагрузки. Это предотвратит коррозию зеркала цилиндров и поршневых колец во время оста­новки двигателя, когда из-за естественной тяги из проникающего в холодные цилиндры воздуха на их стенках выпадает конденсат.

Толщина формируемого кольцами слоя масла по высоте втулки меняется от нескольких микрон в зонах ВМТ до 20 мкм и более в средней ее части. Первые порции масла, поступающего в цилиндры перед пуском двигателя при ручной прокачке лубрикаторов, рас­ходуются на создание этого слоя.

Несложный расчет показывает, что единичная подача масла на цилиндр через все точки смазывания (8 штуцеров в двигателях Зульцер RD) на протяжении 12 оборотов при удельном расходе масла g_M = 0,8 г/(кВт●ч), будучи равномерно распределенной по поверхностям цилиндра и поршня, обеспечивает толщину слоя мас­ла всего 0,269 мкм. Этого явно недостаточно, и желательно, чтобы при проворачивании лубрикаторов была осуществлена по крайней мере десятикратная подача. После того как пленка в цилиндрах будет сформирована, подача масла должна продолжаться, так как при работе двигателя оно необходимо для восполнения потерь, связанных с его испарением с поверхностей цилиндра, сгоранием и сбросом в подпоршневые полости и в окна. Оставшееся на стен­ках цилиндра масло частично теряет свои свойства вследствие окис­ления и расходования присадки, поэтому добавка свежего масла необходима не только для замещения потерь, но и для обновления его состава — освежения.

Количество подаваемого масла должно соответствовать реко­мендациям фирм-двигателестроителей и опыту эксплуатации кон­кретного двигателя. Важны также организация газообмена, распо­ложение маслоподводящих отверстий, температуры поршня, втул­ки, поршневых колец. Так, в двигателях с контурными схемами га­зообмена (Зульцер, МАН) существует большая вероятность сдувания масла в выпускные окна и его заброса в камеру сгорания (по­следнее определяется верхним расположением маслоподводящих отверстий). В результате эти двигатели по сравнению с двигателями с прямоточной схемой газообмена имеют более высокий удельный расход масла. Повышенные подачи масла требуются также в дви­гателях с большей форсировкой рабочего процесса в связи с ростом потерь масла на испарение, окислительную полимеризацию и нагарообразование. Ведущие фирмы дают рекомендации по количеству масла на смазывание цилиндров. Нормирование подачи масла при­нято на основе удельного расхода , отнесенного к но­минальной мощности при номинальной частоте вращения.

Фирма «Зульцер

Двигатели типа RD: g_м = 0,54 - 0,81 г/(кВт●ч) [0,4 - 0,6 г/(элс●ч)]; двигатели типа RND-M: g_M = 0,95 - 1,36 г/(кВт●ч) [0,7-1,0 г/(элс●ч)].

Фирма MAN

Двигатели типа KZ70/120E: g_м ⁼ 1,09-1,5 г/(кВт●ч) [0,8-1,1 г/(злс●ч)].

Фирма «МАН—Бурмейстер и Вайн — БМЗ

Двигатели первой, второй и третьей степеней форсировки: g_м- 0,41- 0,54 г/(кВт●ч) [0,3-г 0,4 г/(элс●ч)];

двигатели четвертой и седьмой (LGFCA) степеней, форсировки: g_м=  0,54 г/(кВт·ч) [0,4 г/(элс·ч)]

двигатели десятой степени форсировки (L-MC): g_м ⁼ 0,81 г/(кВт●ч) [0,6 г/(элс●ч)].

Применительно к каждому типу двигателя задается диапазон значений расхода масла в зависимости от его качества (щелочно­сти) и, что особенно важно, технического состояния двигателя. Правильность выбранного расхода масла проверяется практикой эксплуатации по следующим признакам.

При завышенной подаче масла отмечаются: значительное коли­чество углеродистых отложений и золы присадок на боковой по­верхности головки поршня, расположенной над верхним кольцом; повышенные отложения нагара по периметру выпускных окон и в выпускном тракте; обильное количество масла на тронке поршня и зеркале цилиндра; повышенный сброс масла в подпоршневую по­лость; щелочность проб масла, отбираемых из подпоршневых поло­стей цилиндров, превышает 25 % исходной щелочности свежего масла.

При заниженной подаче масла отмечаются: появление участков сухой поверхности на тронке поршня и зеркале цилиндра; ухуд­шение подвижности, защемление в слое нагара в кепах и пригорание поршневых колец; прорыв газов и искр в подпоршневую полость, возгорание масляных отложений в подпоршневых полостях; по­явление местных прижогов на втулках цилиндров, а также следов прорыва газов.

Электронное управление лубрикатором.

Использование в системе управления двигателем микропро­цессоров позволило решить давно назревшую проблему организа­ции смазки цилиндров. В традиционной системе, где используется механический привод лубрикаторов, ряд фирм для уменьшения подачи масла на смазку цилиндров при снижении нагрузочного ре­жима связывали механизм подачи с положением рейки топливных насосов. Но, к сожалению, не могли достигнуть синхронизации подачи с движением поршня рабочего цилиндра, а это приводило к тому, что часть поступающего из штуцеров масла попадала в цилиндр над поршнем, и при его движении вверх поршневыми кольцами переме­щалось в направлении камеры сгорания, где выгорало. Часть масла выходила из штуцеров цилиндра под поршень и при его движении вниз кольцами забрасывалось в продувочные и выхлопные окна. Идеальной считается подача в момент, когда масло выходит из шту­цера в промежуток между первым и вторым поршневыми кольцами. Тогда масло хорошо разносится по поверхности цилиндра и ранее отмеченные потери исключаются. В современной системе эта за­дача успешно решается и экономия в расходе цилиндрового масла в двигателях ME составляет свыше 0,3 г\кВт·час. Концепция новой системы смазки цилиндров с электронным управлением представ­лена на Рис. 14.12. Масло из цистерны цилиндрового масла поступа­ет в насосную станцию, где его давление поднимается до 4,5 МПа и направляется в индивидуальные для каждого цилиндра аккумулято­ры и далее в лубрикаторы. В станции находятся два рабочих насоса и один, автоматически включаемый в режиме stand-by. Количество лубрикаторов (1 или 2) на каждом цилиндре зависит от размеров цилиндра (количества штуцеров).

Лубрикатор (см. Рис. 14.13) снабжен поршнем гидроусилителя, подача масла на который осуществляется через быстродействую­щий двухпозиционный клапан, управляемый микропроцессором. Поршень приводит в движение размещенные по окружности плун­жеры насосов высокого давления, обеспечивающие подачу оди­наковых количеств масла по всем точкам смазки и, практически, в один момент времени. Количество плунжеров соответствует числу точек смазки. Лубрикатор подает масло через каждые в 4 -5 или более оборотов коленчатого вала в зависимости от требуемой величи­ны подачи, выраженной в г\ кВт.час. Увеличение подачи достигается увеличением частоты подач, уменьшение - наоборот. Время впрыс­ка (момент подачи) задается микропроцессором с большой точнос­тью с тем, чтобы поступление масла в цилиндр происходило в пе­риод, когда поршень своим комплектом колец находится в плоскос­ти штуцера. Продолжительность подачи укладывается в 0,1 град, п.к.в. Величина создаваемого плунжерами давления в нормальных условиях составляет 4,5 МПа, при закоксовывании отверстий может существенно увеличиваться, что обеспечивает гарантированную подачу.

Литература

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 1. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 260 с.

Стр.199-201

Литература

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 1. / И.В.Возницкий, – М.:МОРКНИГА, 2007.- 282 с.

Стр. 218-221

Возницкий И. В. Судовые дизели и их эксплуатация / И.В.Возницкий, Е.Г.Михеев – М.:Транспорт, 1990. - 360 с Стр. 150-158