Отключаемые форсунки охлаждения поршня. В традиционной системе смазке предусмотрено охлаждение маслом днища поршня в постоянном режиме. Однако охлаждение поршней необходимо не всегда. При уменьшении подачи масла, когда прекращается процесс охлаждения поршня, можно снизить производительность масляного насоса, в результате чего экономится топливо. Включение и выключение форсунок охлаждения поршней осуществляется управляющим клапаном 5 форсунок охлаждения 7 (рис. 5.4).
Управляющий клапан 5 гидравлически задействует переключающий клапан 6, который непосредственно включает или выключает поток масла к форсункам. Если блок управления двигателя не подаёт сигнал на управляющий клапан 5, то канал к форсункам открыт и через форсунки впрыскивается масло для охлаждения поршней (рис. 5.4, а).
Отключение форсунок охлаждения поршней происходит по сигналу от блока управления двигателя.
Подача напряжения на управляющий клапан 5 форсунок охлаждения поршней вызывает открывание канала 4. По нему масло попадает из главного масляного канала к золотнику переключающего клапана. Поскольку теперь давление масла, действующее на золотник с обеих сторон, уравновешивается, пружина переключающего клапана сдвигает золотник и перекрывает доступ масла к форсункам охлаждения поршней (рис. 5.4, б).
1 – датчик давления масла; 2 – подача масла от масляного насоса; 3 – главный масляный канал; 4 – канал подачи масла из главного масляного канала к золотнику переключающего клапана; 5 – управляющий клапан форсунок охлаждения; 6 – переключающий клапан; 7 – форсунки охлаждения
Масляные насосы. Масляный насос предназначен для создания давления в системе смазки и размещается в картере двигателя или снаружи картера.
В настоящее время в современных системах смазки используются шестеренчатые насосы с внутренним и наружным зацеплением, пластинчатые, героторные и др. насосы.
Шестеренчатый насос с шестернями внутреннего (рис. 5.5, а, б) или наружного зацепления (рис. 5.5, в) состоит из литого корпуса, одной или двух пар шестерен. В каждой паре одна из шестерен насажена свободно на оси, а другая — на шпонке приводного вала. Снизу насос закрыт крышкой. При наличии двух пар шестерен насос разделяется непроницаемой стальной перегородкой на две секции. Валик с ведущей шестерней приводится во вращение от пары косозубых шестерен, одна из которых находится на распределительном валу, а другая — на валу привода насоса. При вращении шестерен их зубья захватывают масло у входных отверстий (рис. 8.5, а), проносят его у стенок корпуса и выдавливают у входных отверстий. В насос масло попадает от маслоприемников, находящихся непосредственно в картере двигателя.
1 – перепускной клапан нижней секции насос; 2 – ведущие шестерни; 3 – корпус; 4 – приводной вал; 5 – ось; 6 – ведомая шестерня; 7 – верхняя секция; 8 – нижняя секция; 9 – редукционный клапан; 10 – пружина; 11 – выступ; а – схема устройства и работы шестеренчатого насоса с наружным зацеплением; б – устройство одноступенчатого шестеренчатого насоса с наружным зацеплением; в – схема устройства и работы шестеренчатого насоса с внутренним зацеплением
Масляный насос внутреннего зацепления имеет две шестерни (рис. 8.5, б). Он состоит из корпуса, ведущей 2 и ведомой 6 шестерни, редукционного клапана 9. Корпус насоса имеет две полости (всасывания и нагнетания), которые разделены между собой выступом 11. Ведущая шестерня 2 обычно устанавливается на переднем конце коленчатого вала. В крышке корпуса насоса размещен редукционный клапан 9, давление срабатывания которого обеспечивается пружиной 10.
При вращении шестерен масло через маслоприемник поступает во всасывающую полость насоса. Оно заполняет впадины между зубьями шестерен, переносится в полость нагнетания и под давлением направляется в приемный канал блока цилиндров. Редукционный клапан срабатывает при возрастании давления выше допустимого и перепускает часть масла из нагнетательной полости насоса во всасывающую.
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. Насосы с регулируемой производительностью рассмотрены ниже.
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 частоты вращения привода, была разработана конструкция пластинчатого (шиберного) масляного насоса (рис. 5.6). Имея в своем составе небольшое количество 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.
Производительность шиберного насоса может изменяться с помощью эксцентрикового поворотного регулирующего кольца 9.
Клапан регулирования давления масла 2 в зависимости от нагрузки на двигатель, частоты вращения двигателя и температуры масла переключает давление между обоими режимами давления. Благодаря этому, в наиболее часто используемых режимах эксплуатации (городской режим или междугородние поездки) потребляемая масляным насосом мощность существенно снижается.
1 – промежуточный корпус; 2 – электромагнитный клапан регулирования давления масла; 3 – масляный канал второй управляющей поверхности; 4 – масляный канал первой управляющей поверхности; 5 – пластина; 6 – рабочая камера; 7 – пружина; 8 – вторая управляющая поверхность; 9 – эксцентриковое поворотное регулирующее кольцо; а – работа с низкой производительностью; б – работа с высокой производительностью
Насос может работать с низкой или высокой производительностью.
При работе с низкой производительностью (рис. 5.6, а) на электромагнитный клапан 2 регулирования давления масла подается напряжение от блока управления двигателя, что приводит к открытию масляного канала 3 для второй управляющей поверхности 8. По масляному каналу 4 давление масла постоянно воздействует на первую управляющую поверхность. В этом случае на обе управляющие поверхности с одинаковым давлением действуют оба масляных потока, результирующая сила которых превышает усилие пружины 7. Эксцентриковое регулирующее кольцо 9 поворачивается против часовой стрелки и уменьшает рабочую камеру насоса. Низкая производительность включается в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки на него и температуры масла. Потребляемая масляным насосом мощность на этом режиме снижается.
При частоте вращения двигателя выше 2500 об/мин или повышенном моменте (ускорение с полной нагрузкой) блок управления двигателя отключает электромагнитный клапан 2 от массы. Масляный канал 3 второй управляющей поверхности закрывается (рис. 5.6, б). Давление масла действует только на первую поверхность. Это усилие меньше усилия пружины. Пружина поворачивает регулирующее кольцо по часовой стрелке. Регулирующее кольцо отклоняется от центра, и перекачиваемый объём масла между пластинами насоса увеличивается. За счёт увеличения рабочей камеры возрастает и производительность насоса. Увеличению расхода масла препятствуют отверстия масляных каналов и зазоры подшипников коленчатого вала. В результате этого растёт давление масла. Таким образом масляный насос с регулируемой производительностью работает в двух режимах давления.
Регулируемый героторный масляный насос (рис. 5.7) способен поддерживать давление масла на уровне 0,35 МПа (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 заключается в следующем. Вращающийся вместе с ведущим валом внутренний ротор 3 увлекает за собой наружный ротор 2. 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.
1 – промежуточный корпус; 2 – наружный ротор; 3 – внутренний ротор; 4 – пружина регулятора; а – при давлении масла ниже 3,5 кгс/см2</sup>; б – при давлении масла выше 3,5 кгс/см2
При давлении масла ниже 0,35 МПа (3,5 кгс/см2), пружина регулятора (рис. 5.7, 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.
При давлении масла выше 0,35 МПа (3,5 кгс/см2) промежуточный корпус перемещается, преодолевая усилие пружины (рис. 5.7, 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.
Регулируемый шестеренчатый масляный насос. По своему принципу действия масляный насос представляет собой шестерёнчатый насос с внешним зацеплением (рис. 5.8). Особенностью конструкции данного насоса является то, что одна из шестерён может сдвигаться в осевом направлении относительно другой (ведомая шестерня). Сдвигая ведомую шестерню, можно управлять подачей насоса и давлением в контуре смазки. Регулирование управляющего давления масла (т. е. давления, которое определяет положение управляющего плунжера) осуществляется с помощью клапана регулирования давления
Непосредственная подача масла осуществляется двумя зубчатыми шестернями, входящими в зацепление друг с другом. Одна шестерня насоса установлена на приводной вал, который приводится цепным приводом от коленчатого вала. Вторая шестерня насоса находится на валу, способном перемещаться в продольном направлении. Шестерня насоса и вал образуют механизм перемещения.
За подачу давления масла на регулирующий плунжер регулируемого масляного насоса отвечает клапан регулирования давления масла, который управляется блоком управления двигателя. Нижний уровень давления включается в зависимости от нагрузки и числа оборотов двигателя, температуры масла и других рабочих параметров. Тем самым в тех режимах, в которых низкого уровня давления масла достаточно, уменьшается потребляемая масляным насосом мощность и, соответственно, расход топлива. При высокой частоте вращения коленчатого вала или высокой нагрузке (разгон при полном нажатии педали акселератора) блок управления двигателя разрывает соединение клапана регулирования давления масла с массой, тем самым переключая масляный насос на уровень высокого давления.
1 – каналы управления; 2 – регулирующий плунжер; 3 – шестерня насоса; 4,7,8 – камера; 5 – механизм перемещения с шестернёй насоса; 6 – звездочка привода насоса; а – максимальная подача масла; б – минимальная подача масла
Масляные фильтры. В процессе работы двигателя свойства масла постепенно ухудшаются: понижается его вязкость и маслянистость. Масло загрязняется твердыми механическими примесями, состоящими из нагара и мельчайших металлических частиц, которые появляются в масле в результате изнашивания деталей. Кроме того, масло загрязняется смолами и продуктами окисления. Фильтры могут быть полнопоточными или встроенными в параллельную магистраль (частичнопоточный). В полнопоточных фильтрах через фильтр проходит весь объем перекачиваемого насосом масла. Фильтры, встроенные в параллельную магистраль, пропускают через себя определенную часть общего объема (10…15%) перекачиваемого насосом масла. В легковых автомобилях применяется, как правило, один полнопоточный фильтр, в грузовых и автобусах смешанная система (рис. 5.9).
двигателя автомобильного двигателя:
1 – масляный картер (поддон) двигателя; 2 – масляный насос; 3 – масляный полно поточный фильтр; 4 – частично поточный фильтр; а – полно поточная схема системы смазки; б – смешанная схема системы смазки
По принципу очистки фильтры могут быть щелевыми, объемно-адсорбирующими или центробежными.
В щелевых фильтрах твердые частицы, содержащиеся в масле, задерживаются в зазорах между пластинами в корпусе фильтра. На современных двигателях щелевые фильтры практически не применяются.
На современных двигателях применяют преимущественно объемно-адсорбирующие фильтры. Такой фильтр (рис. 5.10) состоит из корпуса 1, в котором находятся фильтрующий элемент 2 и при необходимости – перепускной 3, противодренажный 4 и противосливной клапаны 5. В зависимости от конструкции корпуса, фильтры могут быть двух типов:
неразборные, получившие в настоящее время наибольшее распространение благодаря компактности, низкой стоимости и удобству замены;
разборные со сменным фильтрующим элементом, применяющиеся реже, так как имеют увеличенные габариты и менее удобны в обслуживании.
Фильтрующий элемент чаще всего изготавливается из специальной гофрированной бумаги, пропитанной смолами. Такая бумага обладает высокой пористостью, а благодаря пропитке – прочностью, водо- и маслостойкостью. Для достижения максимально возможной площади фильтрующей поверхности при минимальных габаритах фильтра бумагу укладывают специальным образом, обычно в виде многолучевой «звезды».
Фильтрующие элементы объемного типа из хлопчатобумажных, синтетических и искусственных волокон применяются реже.
Перепускной клапан 3 иногда называют предохранительным, обводным или байпасным. Его назначение – обеспечить гарантированную подачу моторного масла в систему смазки двигателя в случае, если оно не может пройти через фильтрующий элемент при его полном засорении или слишком большой вязкости масла при низких температурах. Давление срабатывания перепускного клапана устанавливается в зависимости от конструкции двигателя и у разных моделей находится в пределах 0,055…0,260 МПа (0,55…2,60 кг/см2).
Противодренажный клапан 4 предотвращает слив масла из фильтра и масляных каналов в картер двигателя после его остановки. Это исключает при последующем пуске задержку подачи масла в систему смазки из-за образования воздушной пробки. Самая распространенная конструкция противодренажного клапана представляет из себя подпружиненный резиновый иск, закрывающий изнутри входные отверстия в корпусе фильтра.
Противосливной клапан 5 обычно устанавливается в неразборных фильтрах в комбинации с перепускным или противодренажным клапаном и не позволяет маслу выливаться из корпуса через выходное отверстие при замене отработавшего фильтра.
Центробежные фильтры применяются на грузовых автомобилях. Принцип работы центробежного фильтра (центрифуги) (рис. 5.11) основан на отбрасывании твердых тяжелых частиц, содержащихся в масле, на стенки ротора центробежной силой, возникающей при вращении ротора. Вращение ротора может происходить либо благодаря реактивному воздействию струи масла, вытекающей из тангенциально расположенных сопел, либо за счет активного воздействия струи масла под давлением на лопатки турбины ротора. Частота вращения ротора — 6000…8000 об/мин — обеспечивает качественную очистку масла.
В корпусе 3 фильтра с крышкой 6 неподвижно закреплена ось 1 с внутренним каналом и выходными отверстиями. На оси на радиально-упорном подшипнике 8 и двух втулках установлен ротор 4 с колпаком 5, фильтрующей сеткой 7 и жиклерами 2, выходные отверстия которых направлены в противоположные стороны.
При работе двигателя масло поступает внутрь оси 1, проходит через выходные отверстия и направляется во внутреннюю полость ротора. Затем масло поступает к фильтрующей сетке 7, идет вниз и выпрыскивается под давлением из жиклеров 2 в корпус фильтра. Под действием струй масла, направленных в противоположные стороны, создается реактивный момент, который вращает ротор, заполненный маслом. При этом под действием центробежных сил механические примеси, находящиеся в масле, оседают плотным слоем на стенках колпака 5 ротора.
Очищенное масло, впрыскиваемое жиклерами, стекает в масляный поддон двигателя. Частота вращения ротора фильтра достигает 5000…7000 об/мин, что обеспечивает очистку масла.
Рис. 5.11. Фильтр центробежной очистки масла1 – ось; 2 – жиклер; 3 – корпус; 4 – ротор; 5 – колпак; 6 – крышка; 7 – сетка; 8 – подшипник
Клапаны смазочной системы. Чтобы поддержать требуемое давление в смазочной системе и обеспечить нормальную работу ее устройств, можно установить следующие автоматически действующие клапаны: редукционный, дифференциальный, перепускной и предохранительный. По типу все клапаны делят на плунжерные и шариковые.
Редукционные клапаны действуют при перепаде давления и поддерживают постоянное давление в определенной магистрали смазочной системы.
По назначению клапаны делят на предохранительные, сливные и перепускные. Предохранительные клапаны защищают смазочную систему или отдельные агрегаты от перегрузок (чрезмерного повышения давления). Они установлены после насоса. Сливные клапаны создают определенное гидравлическое сопротивление при сливе масла и тем самым поддерживают необходимое давление в главной масляной магистрали. Перепускные клапаны возвращают поток масла из нагнетающей секции насоса во всасывающую или в главную магистраль, например, при засорении фильтра, большом сопротивлении радиатора.
Дифференциальные клапаны применяют в некоторых двигателях вместо сливных или перепускных, уменьшая при этом потери энергии на прокачивание масла.
В легковых автомобилях вместо предохранительного клапана может применяться золотник, представляющий подпружиненный клапан, который закрывает внутренний контур циркуляции в масляном насосе (рис. 5.12).
1 – канал подачи масла из поддона; 2 – пружина; 3 – золотник; 4 – канал подачи масла в поддон; 5 – канал подачи масла в систему смазки; 6 – внутренний контур циркуляции; 7 – внешний ротор; 8 – внутренний ротор; а – нормальное давление в системе смазки; б – повышенное давление в системе смазки
При нормальном давлении под действием пружины золотник стремится вперёд. Масло поступает в систему смазки. Через канал управления золотник связан с системой смазки. С ростом давления в системе смазки золотник сжимает пружину и смещается, что открывает внутренний контур циркуляции насоса. Масло при этом поступает в внутрь собственные корпуса (рис. 5.12, а).
Как только давление в системе смазки понизится, золотник перекроет внутренний контур циркуляции и масло снова будет под давлением поступать в систему смазки (рис., 5.12, б).
Масляные радиаторы. В жаркое время года и при эксплуатации автомобиля в тяжелых дорожных условиях температура масла настолько повышается, что оно становится очень жидким и давление в системе смазки падает. Для предотвращения разжижения масла в систему смазки могут включаться масляные радиаторы. Они бывают двух типов: с воздушным и с жидкостным охлаждением (5.13). Первые устанавливаются перед радиатором системы охлаждения и охлаждаются потоком воздуха. Вторые включаются в контур системы охлаждения, что обеспечивает постоянство температуры масла во время работы двигателя и быстрый подогрев его при пуске холодного двигателя. Масло проходит по трубкам радиатора, которые омываются охлаждающей жидкостью. В таких системах смазки устанавливается термостат. Термостат не допускает подачу масла в радиатор, пока оно не прогреется до рабочей температуры. Затем он открывается, и масло начинает поступать в радиатор, где происходит его охлаждение. В более простых конструкциях радиатор подключается вручную водителем с помощью краника.
1,4 – шланги; 2 – масляный радиатор; 3 – бачок; 5 – кран; 6 – штуцер с предохранительным клапаном, а – жидкостное охлаждение: б – воздушное охлаждение
Масляные радиаторы большинства двигателей грузовых автомобилей магистрального назначения («MAN», «Volvo», «Scania», «Renault») монтируются внутри водяной рубашки блока двигателя.
На отдельных двигателях (двигатель МХ а/м DАF ХF 105) масляный радиатор включен в масляный модуль, который монтируется снаружи блока двигателя (рис. 5.14).
1, 9 – отверстия; 2 – термостат; 3 – канал; 4 – масляный фильтр 5,7– порт; 6 – центробежный фильтр; 8 – масляный радиатор
От масляного насоса масло поступает в масляный модуль через порт 5, после чего оно течет вниз. В зависимости от температуры масла, термостат 2 занимает определенное положение. Если масло холодное, термостат открыт как в масляный фильтр 4, так и в масляный радиатор 8. Большая часть масла при этом поступает в масляный фильтр 4. По мере нагревания масла термостат 2 всё больше перекрывает отверстие масляного фильтра 4 и, как следствие, всё большее количество масла поступает в масляный радиатор 8.
Около 10% масла через корпус термостата 2 поступает в центробежный фильтр 6. Здесь масло подвергается очистке, после чего стекает через отверстия 9 обратно в масляный поддон двигателя. Масло из масляного радиатора 8 поступает через канал в модуле на масляный фильтр4. Очищенное масло из фильтра 4 через отверстие 1 поступает в главную масляную магистраль двигателя. Жидкость системы охлаждения, используемая для охлаждения масла, поступает в масляный модуль через порт 7. Затем охлаждающая жидкость проходит через масляный радиатор 8 и через канал 3 масляного модуля возвращается на водяной насос.
Данная конструкция масляного модуля, где масляный радиатор вынесен на внешний контур двигателя значительно облегчает монтаж/демонтаж масляного радиатора, так как одной из основных неисправностей радиатора является его разгерметизация, в результате чего моторное масло двигателя попадает в систему охлаждения.