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.