Для пуска двигателя внутреннего сгорания его коленчатому валу необходимо сообщить некоторую частоту вращения, обеспечивающую смесеобразование, заполнение цилиндров, сжатие и воспламенение. Минимальная частота вращения коленчатого вала, при которой получаются первые вспышки в двигателе, называется пусковой.
Для вращения коленчатого вала в период пуска требуется приложить большой крутящий момент, затрачиваемый на преодоление сопротивления сжимаемой смеси (или воздуха), а также на преодоление сопротивлений, вызываемых трением между движущимися деталями и работой всех механизмов и систем двигателя. Кроме того, нужен избыток крутящего момента для разгона движущихся масс двигателя от состояния покоя до пусковой частоты вращения.
Крутящий момент, нужный для пуска при низкой температуре двигателя, возрастает вследствие увеличения вязкости масла. Пусковой момент для дизелей выше, чем для карбюраторных двигателей равной мощности, вследствие более высокой степени сжатия у дизелей.
Пусковая частота вращения у карбюраторных двигателей должна быть не менее 40—50, а у дизелей — 150—300 об/мин. Если частота вращения ниже, то пуск двигателей затрудняется, так как при медленном протекании процесса сжатия увеличивается теплоотдача
стенкам и головке цилиндров и происходит утечка смеси (воздуха) через неплотности.
По этим причинам уменьшаются давление и температура смеси (воздуха) в конце сжатия. Кроме того, при пониженной частоте вращения ухудшаются условия для смесеобразования и сгорания.
Для быстрого и надежного пуска двигателя применяют специальные механизмы и устройства, составляющие систему пуска. Различают следующие способы пуска двигателей: электрическим стартером и вспомогательным карбюраторным двигателем.
Пуск электрическим стартером (рис. 57) при меняют на многих дизелях и карбюраторных двигателях. Электростартер 3 представляет собой электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения с включающим устройством и механизмом привода. Стартер питается от аккумуляторной батареи 1 током низкого напряжения. В период пуска шестерню 4 стартера вводят в зацепление с зубчатым венцом 5 маховика двигателя.
Передаточное число между шестерней стартера и венцом маховика подбирается с таким расчетом, чтобы сообщить коленчатому валу необходимую для пуска частоту вращения.
Стартер должен иметь достаточную мощность для вращения коленчатого вала с требуемой частотой, автоматически выключаться после пуска двигателя и не включаться во время его работы, развивать большой крутящий момент при возможно меньшем токе.
Щетки коллектора стартера должны отличаться высокой износостойкостью.
Для включения электрической цепи стартера при пуске двигателя и выключения ее после пуска предназначены включающие устройства с непосредственным (механическим) или дистанционным (электромагнитным) управлением. При непосредственном управлении электрическая цепь стартера замыкается включателем — электроконтактным устройством, действующим при нажатии на педаль стартера. Такое управление применяют, если стартер и аккумуляторная батарея расположены вблизи места водителя.
При дистанционном управлении электрическая цепь стартера замыкается специальным реле, представляющим собой электромагнит с дистанционным управлением. Это позволяет избежать сложной системы привода, сократить длину провода, соединяющего аккумуляторную батарею со стартером. Механизм привода, служащий для сцепления и расцепления приводной шестерни стартера с венцом маховика двигателя, может быть механическим и электромагнитным.
В механическом приводе шестерня стартера вводится в зацепление с венцом маховика рычажным устройством, которое водитель включает ногой. Электрическая цепь стартера подключается к аккумуляторной батарее после того, как его шестерня войдет в зацепление с венцом маховика. Так как угловые скорости шестерни стартера и венца маховика равны нулю, то сцепление их происходит безударно. Такой способ может быть применен для стартеров любой мощности. Механизм привода выключается, когда водитель снимает ногу с педали стартера.
Чтобы избежать разносных оборотов якоря, после того как двигатель начнет работать, шестерню стартера устанавливают на муфте свободного хода роликового или фрикционного типа.
В электромагнитном приводе сцепление приводной шестерни с венцом маховика осуществляется специальным электромагнитом.
Последовательность включения шестерен и замыкание электрической цепи стартера такие же, как и при механическом способе: вначале вводятся в зацепление шестерни, а затем замыкается электрическая цепь стартера. Шестерня автоматически выключается за счет ЭДС генератора после того, как двигатель начнет работать и приведет генератор в действие. Электромагнитный привод исключает возможность ошибочного включения стартера при работающем двигателе, так как при работающем генераторе исключается действие электромагнита приводного механизма.
Электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением (у которых обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря) развивают максимальный пусковой момент при торможении якоря, т. е. когда якорь неподвижен и в его обмотках ЭДС не индуктируется.
Это качество необходимо в начальный период вращения двигателя при пуске, когда момент сопротивления вращению имеет максимальную величину.
Обмотки якоря и обмотки возбуждения стартера — минимального сопротивления, так как они незначительной длины и большого сечения. При включении стартера или полном торможении якоря сила пускового тока у стартера различного типа достигает 550—1100 А. По мере возрастания частоты вращения сила тока и крутящий момент уменьшаются.
Двигатели, оборудованные электрическим стартером, имеют пусковую рукоятку для проворачивания вала перед пуском холодною двигателя и при проведении технического ухода. У карбюраторных двигателей и у дизелей малой мощности пусковая рукоятка служит резервным средством для пуска, когда разряжена аккумуляторная батарея или неисправен стартер.
Система пуска вспомогательным карбюраторным двигателем применяется на дизелях Д-65, СМД-14, Д-108 и др. Для передачи вращения от вала пускового двигателя валу дизеля в систему пуска включена силовая передача. Когда дизель начинает работать, пусковой двигатель вместе с силовой передачей автоматически отключается от вала дизеля. Для облегчения пуска дизеля водяные системы охлаждения пускового двигателя и дизеля связаны между собой, что обеспечивает прогрев дизеля.
Пусковые карбюраторные двигатели обладают в эксплуатации некоторыми преимуществами по сравнению с электрическими стартерами. Система пуска с помощью пускового двигателя надежна при любых температурных условиях, но обслуживание ее и операции при пуске сложнее, чем при пуске электрическим стартером, который не требует затраты больших физических усилий. Вместе с тем стартеры, питающиеся током от громоздких аккумуляторных батарей, требуют тщательного ухода и установки специального зарядного оборудования. Стартеры не могут длительно вращать коленчатый вал двигателя и тем самым разогревать масляные пленки в подшипниках и цилиндрах, а последнее очень важно для нормальной работы кривошипно-шатунного механизма.
Для устранения отмеченных недостатков на некоторых дизелях, например СМД-14, Д-108, на пусковом бензиновом двигателе установлен стартер. Таким образом, пуск карбюраторного пускового двигателя и дизеля производится без больших усилий машиниста.
Системы зажигания применяют в двигателях с принудительным воспламенением горючей смеси в цилиндрах. Горючая смесь воспламеняется искрой при электрическом разряде между электродами свечи зажигания.
Для получения искрового разряда требуется напряжение до 12 тыс. вольт и более. Пробивное напряжение и интенсивность искрового разряда зависят от искрового промежутка (расстояния между электродами свечи), формы электродов, температуры, давления, состава рабочей смеси и других факторов. Увеличение искрового промежутка вызывает необходимость повышения напряжения.
Лучшему истечению электрического заряда способствует заостренная форма электрода, а не закругленная. Повышение температуры в цилиндре двигателя вызывает ионизацию газов, что в свою очередь требует меньшего напряжения. С повышением давления смеси в искровом промежутке величина пробивного напряжения возрастает.
Приборы системы зажигания двигателей для большей надежности воспламенения рабочей смеси дают напряжение 14—20 тыс. вольт. Искровой промежуток между электродами свечи устанавливают 0,6—0,8 мм с учетом степени сжатия двигателя, применяемого сорта топлива и способа зажигания. Нарушение этого зазора ведет к снижению надежности работы системы зажигания.
В системах зажигания ток высокого напряжения получают с помощью магнето или системы батарейного зажигания. В первом случае система зажигания включает магнето с вращающимся магнитом, свечи зажигания, провода и выключатель.
Действие магнето основано на том, что при пересечении магнитных силовых линий проводником в последнем возникает (индуктируется) электродвижущая сила (ЭДС). Электродвижущая сила в проводнике будет тем больше, чем быстрее изменяется магнитный поток, пересекающий этот проводник.
Магнето (рис. 55) представляет собой магнитоэлектрический аппарат, состоящий из генератора переменного тока низкого напряжения с прерывателем и трансформатора тока высокого напряжения с распределителем.
Генератор переменного тока включает магнитную систему, обмотку 3 и прерыватель с конденсатором. Магнитная система, пред назначенная для получения переменного магнитного поля, состоит из двухполюсного постоянного магнита — ротора 2 и боковых стоек 1 с сердечником 4. Первичная обмотка 3, выполненная из 150— 250 витков медной проволоки диаметром 0,8—1 мм, и прерыватель с конденсатором 16 служат для получения резко переменного тока низкого напряжения. Один конец обмотки 3, намотанный на сердечник 4, соединен с массой непосредственно, а другой конец — через контакты молоточка 12 и наковальни 13 прерывателя. Эти контакты размыкаются кулачком 15, закрепленным на валике магнита — ротора 2. Конденсатор 16 включен параллельно контактам прерывателя.
Трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток. Первичной обмоткой служит обмотка 3 генератора переменного тока.
Вторичная обмотка 6 состоит из 9—13 тыс. витков медной проволоки диаметром 0,05—0,08 мм, которая намотана на первичную обмотку 3. Один конец обмотки 6 соединен с обмоткой 3 и через нее с массой; второй конец через скользящий угольный контакт 10, электроды 9 барабана-распределителя 11 и провода 8 высокого напряжения соединен с центральными электродами свечи 7.
Ротор 2 и барабан 11 приводятся во вращение от вала двигателя.
При вращении ротора 2 его полюсы поочередно подходят к башмакам стоек 1, вследствие чего в сердечнике 4 появляется и исчезает магнитный поток. Так, при расположении северного полюса ротора 2 у левой боковой стойки магнитный поток пройдет по стойкам 1 и сердечнику 4 от северного полюса к южному, т. е. слева направо.
Когда же северный полюс расположится у правой стойки, то магнитный поток будет проходить по стойкам и сердечнику справа налево. За каждый оборот ротора 2 магнитный поток в сердечнике 4 непрерывно изменяется по величине и два раза по направлению. Поскольку магнитный поток пересекает витки первичной обмотки 3, то в ней индуктируется переменная ЭДС, максимальная величина которой достигает 12—15 В.
Так как магнитный поток пересекает также и витки вторичной обмотки 6, то и в ней индуктируется ЭДС по рядка 1000—1500 В. Но та кая величина ЭДС недостаточна для создания искрового разряда между электродами свечи. Для создания сильной искры между электродами свечи, к которым подводится ток от вторичной обмотки, необходимо первичную цепь разомкнуть в тот момент, когда величина тока в первичной обмотке достигнет максимума.
Это осуществляется следующим образом. Ток низкого напряжения, протекающий по первичной обмотке, создает вокруг сердечника 4 магнитные поля. Когда ток в первичной обмотке достигает наибольшего значения (2—3 А), кулачок 15 прерывателя набегает на выступ рычажка 14, поворачивает его вокруг оси, быстро оттягивает закрепленный на нем контакт молоточка 12 от контакта наковальни 13, вызывая резкое прекращение тока и исчезновение созданного им магнитного поля. В результате резкого уменьшения магнитного потока во вторичной обмотке индуктируется ЭДС большой величины (до 24 тыс. вольт) и между электродами свечи 7 происходит искровой разряд, способный воспламенить рабочую смесь в цилиндре двигателя.
В момент размыкания контактов прерывателя исчезающее магнитное поле возбуждает в первичной обмотке ток самоиндукции напряжением 300—500 В. Для поглощения тока самоиндукции и уменьшения искрения и обгорания контактов в первичную цепь параллельно подключен конденсатор 16, который также увеличивает напряжение во вторичной обмотке. Как уже отмечалось, контакты прерывателя разъединяются кулачком 15, вращающимся вместе с якорем. Так как кулачок 15 имеет два выступа, то он размыкает контакты прерывателя два раза за один оборот якоря.
Барабан 11 распределителя, приводимый через пару шестерен, вращается в два раза медленнее ротора магнето и подает ток высокого напряжения к каждой свече один раз за каждые два оборота коленчатого вала. Приемные контакты в крышке распределителя расположены таким образом, что ток подводится к свечам в порядке работы цилиндров двигателя. Экстренный останов двигателя производится кнопочным выключателем 17, накоротко замыкающим первичную обмотку на массу.
Для предохранения вторичной обмотки от повреждения изоляции в случае появления неисправности во вторичной цепи предусмотрен предохранительный искровой промежуток 5.
Система батарейного зажигания состоит из источника тока низкого напряжения (аккумуляторной батареи), генератора постоянного тока с реле-регулятором, катушки зажигания, прерывателя-распределителя и свечей зажигания. Получение тока высокого напряжения в этой системе основано на трансформации (преобразовании) тока низкого напряжения в ток высокого напряжения с помощью катушки зажигания и прерывателя (с конденсатором). Распределитель осуществляет соединение системы на свечи зажигания в порядке работы цилиндров. Система батарейного зажигания не нашла еще широкого применения на двигателях, используемых на дорожных и строительных машинах, поэтому здесь она подробно не описывается.
Свечи зажигания работают в очень тяжелых условиях, так как они испытывают механические, тепловые и электрические нагрузки, а также подвергаются вредному воздействию продуктов сгорания топлива. На свечи воздействуют переменные давления — от 0,02—4,5 МПа и температура газов от 30 до 2500 °C. Электрические разряды вызывают оплавление концов электродов, а продукты сгорания топлива — их коррозию. Все это предъявляет высокие требования к качеству материалов, из которых изготовляют свечи.
По своей конструкции свечи бывают двух типов: разборные и неразборные (рис. 56). Их различие заключается в способе крепления изолятора 5. В разборной свече изолятор закрепляют в корпусе накидной гайкой, а в неразборной свече — путем завальцовки верхней кромки корпуса 2. Разборные свечи в настоящее время не применяют.
Центральный электрод 8 соединяют путем электросварки с токопроводящим стержнем 7, а боковой электрод 1 укрепляют в корпусе Электроды изготовляют из жаропрочных и химически стойких материалов (97 % никеля и 3 % марганца).
Изолятор 5 — наиболее ответственная деталь свечи. Его изготавливают из керамических материалов, обладающих высокими жаростойкими и электроизоляционными свойствами.
Корпус 2 свечи изготовляют из малоуглеродистой стали. Верхняя часть его выполнена в форме шестигранника, а нижняя имеет резьбу для ввертывания в головку цилиндра. Во избежание пропуска газа из цилиндра между его головкой и корпусом свечи устанавливают медноасбестовую кольцевую прокладку 3.
Для надежной работы свечей необходимо, чтобы температура нижней части изолятора была в пределах 560—850 °C. Если не выдержать нижний предел, то масло, попадающее на свечу, не будет сгорать, на изоляторе отложится нагар, что приведет к замыканию центрального электрода на массу. Ток пойдет через нагар (кокс), минуя зазор между электродами, и двигатель работать не будет.
Если превзойти верхний предел (850 °C), то боковые электроды быстро выходят из строя и создаются условия для так называемого калильного зажигания, т. е. для преждевременного воспламенения рабочей смеси, приводящего не редко к выходу двигателя из строя.
Каждому типу двигателя должны соответствовать свечи зажигания определенной тепловой характеристики, выражаемой так называемыми калильными числами.
Провод высокого напряжения присоединяют к свече зажимной гайкой 6. Провода зажигания — многожильные медные сечением 1,3 мм2, покрыты резиновой оболочкой и заключены в защитную трубку. Каждый провод снабжен двумя наконечниками для крепления к свече и установки в отверстие крышки распределителя.
При плохом охлаждении двигатель может быстро выйти из строя в результате перегрева цилиндров, поршней и клапанов. Особую опасность представляют выгорание смазочного материала и заклинивание поршней в цилиндрах.
При чрезмерном охлаждении двигателя увеличиваются потери тепла, вводимого с топливом, растут потери на трение, повышается износ двигателя, ухудшается также смесеобразование и сгорание топлива. В результате уменьшается мощность двигателя и увеличивается удельный расход топлива.
Применяют два способа охлаждения двигателей: жидкостное и воздушное. При жидкостном охлаждении тепло от стенок цилиндра и головки цилиндра передается жидкости (раствору или воде).
Нагретая таким образом жидкость поступает в радиатор, через который вентилятором просасывается воздух, и тепло от жидкости передается воздуху.
При воздушном охлаждении тепло от стенок цилиндра и головки цилиндра передается непосредственно воздуху. В последнем случае для увеличения поверхности охлаждения цилиндры и головки цилиндров двигателя делают с ребрами, а воздух приводится в движение вентилятором. Интенсивность воздушного охлаждения зависит от скорости и температуры охлаждающего воздуха, размеров поверхности отдачи тепла и расположения ребер относительно потока воздуха, направляемого системой отражателей.
Воздушное охлаждение (рис. 48). Основными элементами системы охлаждения являются осевой вентилятор 1 с направляющим аппаратом 2, направляющий кожух 3, отражатели 6 и 7, привод вентилятора, охлаждающие ребра цилиндров 4 и головок двигателя.
Крыльчатка вентилятора при номинальной частоте вращения вала дизеля вращается со скоростью около 5000 об/мин. Воздух поступает к вентилятору через направляющий аппарат 2, затем нагнетается под кожух 3 (дефлектор). От кожуха воздушный поток с большой скоростью направленно подается к цилиндрам и головкам 5, проходит между ребрами и охлаждает нагретые детали.
Система воздушного охлаждения двигателя по сравнению с системой жидкостного охлаждения надежнее, проще и дешевле. Масса и габаритные размеры двигателя с воздушным охлаждением значительно меньше, чем у двигателя с жидкостным охлаждением. При воздушном охлаждении достигается экономия цветных металлов, так как отпадает необходимость в изготовлении ряда сборочных единиц, например, радиаторов.
К недостаткам системы воздушного охлаждения относятся не равномерное охлаждение деталей двигателя, потеря значительной части мощности (до 10 %) на привод вентилятора, повышенная температура деталей двигателя и в связи с этим уменьшение мощности на единицу рабочего объема цилиндров двигателя. По этим причинам на дорожных и строительных машинах редко применяют двигатели с воздушным охлаждением.
Жидкостное охлаждение. Жидкость, заполняющая рубашку охлаждения блока и головки цилиндров, омывает стенки цилиндров и камер сгорания и отнимает от них тепло. Нагретая жидкость поступает в специальный охладитель (радиатор), где отдает тепло воздуху, а после охлаждения в радиаторе вновь поступает в рубашку блока и из него в головки цилиндров. Таким образом, в системе охлаждения непрерывно циркулирует жидкость, температура которой при полностью прогретом двигателе должна быть в пределах 80—90 °C.
В зависимости от способа циркуляции различают две системы охлаждения: термосифонную и принудительную.
При термосифонной системе охлаждения (рис. 49, а) жидкость циркулирует вследствие разной величины ее плотности в холодном и горячем состоянии. При нагревании жидкости в рубашке охлаждения двигателя плотность ее уменьшается и она по патрубку 7 поднимается в верхний бак 4 радиатора. В сердцевине 1 радиатора жидкость охлаждается, плотность ее повышается. Далее жидкость по патрубку 10 поступает в рубашку охлаждения, под действием движения жидкости в рубашке охлаждения двигателя создается циркуляция жидкости в системе. Для повышения интенсивности охлаждения сзади радиатора установлен вентилятор 2.
Преимущества термосифонной системы охлаждения следующие: простота устройства, незначительная интенсивность циркуляции жидкости при пуске и прогреве двигателя, саморегулирование интенсивности охлаждения в зависимости от нагрузки двигателя.
При повышении нагрузки увеличивается нагрев жидкости и, следовательно, ускоряется ее циркуляция.
Недостаток этой системы — медленная циркуляция воды, что вызывает необходимость увеличения емкости системы и массы двигателя. Недостаточная интенсивность циркуляции повышает испарение жидкости из системы, требует частой проверки уровня жидкости и пополнения системы. Эту систему применяют в пусковых карбюраторных двигателях.
В принудительной системе охлаждения (рис. 49, б) циркуляция жидкости создается насосом 17, который нагнетает ее в рубашку охлаждения блок-картера цилиндров, откуда нагретая жидкость поступает в головку цилиндров и далее в радиатор. После охлаждения в радиаторе она снова поступает к насосу. Разность температур жидкости на входе в двигатель и выходе из него не превышает 5—10 °C.
Интенсивность циркуляции жидкости и воздушного потока, создаваемого вентилятором, зависит главным образом от частоты вращения коленчатого вала двигателя и сопротивления жидкостного и воздушного трактов.
Чтобы при понижении температуры окружающего воздуха и уменьшении нагрузки двигатель не переохлаждался, применяют различные устройства, регулирующие тепловой режим двигателя: термостаты 14, шторки 3 и жалюзи радиатора.
Нагретые части камер сгорания и цилиндров усиленно охлаждают за счет подачи жидкости в водораспределительную трубу 16, проходящую вдоль верхней части блока. В трубе сделаны отверстия для подачи жидкости в первую очередь к наиболее горячим частям блока цилиндров. Для этой же цели в головках цилиндров некоторых двигателей устанавливают водораспределительные насадки — отражатели.
Систему охлаждения обычно разобщают с атмосферой специальным паровоздушным клапаном. Такая система называется закрытой.
Так как она работает при давлении несколько выше атмосферного, температура кипения жидкости в ней соответственно повышается и испарение жидкости, а значит, и расход ее уменьшаются.
Жидкостная принудительная система охлаждения включает радиатор, паровоздушные клапаны, термостат, водяной насос, вентилятор и дистанционный термометр.
Радиатор (рис. 50, а) служит для охлаждения нагретой жидкости путем отдачи тепла через стенки трубок окружающему воздуху. Он состоит из верхнего бака 1, нижнего бака 6, сердцевины 3 и деталей крепления. Сердцевины радиатора могут быть трубчатые (рис. 50, б) или пластинчатые (рис. 50, в). На большинстве двигателей применяют трубчатые сердцевины, которые состоят из нескольких рядов вертикальных плоскоовальных 8 или круглых латунных трубок.
Для увеличения поверхности охлаждения и повышения жесткости на трубки надеты и припаяны к ним тонкие латунные пластины 9.
В некоторых случаях концы трубок сердцевины немного выступают над крайними пластинами, так называемыми трубными досками, которые сделаны из более толстого, чем пластины 9, листового металла. Верхний и нижний баки крепят болтами к трубным доскам.
Интенсивность обдува регулируют шторками 3 (см. рис. 49) или жалюзи.
Паровоздушный клапан (рис. 51) служит для от вода паров жидкости при закипании ее во избежание чрезмерного повышения давления в радиаторе и для соединения радиатора с атмосферой при появлении в нем разрежения, которое создается при остывании двигателя вследствие конденсации пара и уменьшения объема воды при ее охлаждении.
Клапан помещен в отдельном корпусе 6, который привернут к фланцу 4 верхнего бака 5 радиатора. Он может быть также установлен в корпусе 12 крышки горловины радиатора. Паровой клапан 3, прижимаемый пружиной 7, открывается при повышении давления в радиаторе свыше 0,12—0,13 МПа и пары выходят по трубке 2 через отверстие 9.
Воздушный клапан 1, также находящийся под воздействием пружины 8, открывается при понижении давления в радиаторе ниже 0,096—0,099 МПа. Воздух через отверстие 9 и трубку 2 поступает из атмосферы в радиатор, давление в котором выравнивается до нормального.
Термостат (рис. 52) служит для ускорения прогрева жидкости при запуске двигателя и автоматического поддержания ее температуры в определенных пределах. Гофрированная коробка 1 (сильфон) припаяна к донышку обоймы 2 и крышке, к которой прикреплен стержень 4 клапана 5. Отверстие 6 служит для выхода воздуха из системы охлаждения при заполнении ее жидкостью. Внутреннее пространство коробки 1 через отверстие в стержне клапана заполняют смесью из этилового спирта и дистиллированной воды. Отверстие в стержне закрывают пробкой. Действие термостата основано на изменении давления паров при увеличении температуры.
Если температура жидкости в системе охлаждения ниже 70°C, то клапан 5 закрыт. Жидкость при этом циркулирует через радиатор и быстро нагревается в рубашке охлаждения блока и головки. С повышением температуры от 70 до 85 °C давление паров внутри коробки 1 возрастает, коробка растягивается и клапан 5 постепенно открывается. Через образовавшуюся щель между тарелкой клапана 5 и седлом фланца 3 жидкость поступает в радиатор, где и охлаждается. При понижении температуры охлаждающей жидкости наблюдается обратное явление.
Вентилятор служит для обдува радиатора потоком воздуха с целью охлаждения жидкости, протекающей через сердцевину радиатора.
Водяной насос в некоторых двигателях объединен в один агрегат с вентилятором (рис. 53). В системах с принудительным охлаждением устанавливают малогабаритные насосы центробежного типа с относительно высокой производительностью (до 13 тыс. л/ч).
Корпус 12 (рис. 53, а) насоса вместе с крышкой 14 притянут болтами к передней стенке блока цилиндров. Стыковые поверхности корпуса и крышки уплотнены прокладкой.
В корпусе 12 насоса на двух шарикоподшипниках 7 и 9 установлен вал 19. На переднем конце вала шпонкой и гайкой 2 закреплена ступица 1, к фланцу которой болтами прикреплен шкив 20 вместе с крестовиной 3 лопастей 4 вентилятора. Шкив 20 получает вращение через клиновидный ремень от шкива коленчатого вала.
Поскольку лопасти вентилятора расположены под углом к плоскости вращения, то при работе вентилятора они захватывают воздух. Благодаря этому внутри кожуха вентилятора создается разрежение, под действием которого холодный воздух непрерывно проникает сквозь сердцевину радиатора.
На заднем конце вала 19, имеющем лыску, закреплена с помощью болта 15 крыльчатка 13. Она размещена в заполненной водой полости крышки 14. При вращении крыльчатки вода, находящаяся в промежутках между ее лопастями, центробежной силой выбрасывается в нагнетательную полость. Эта полость расширяется по спирали в направлении вращения крыльчатки, поэтому скорость поступающей сюда воды уменьшается, а давление ее увеличивается.
В зоне наибольшего давления находится нагнетательное окно, расположенное против водораспределительного канала блока цилиндров, куда и подается вода.
Вследствие выхода воды из промежутков между лопастями в центре крыльчатки создается разрежение, под действием которого сюда непрерывно поступает вода из всасывающей полости, соединенной патрубком и шлангом с нижним баком радиатора.
В верхней части крышки 14 есть отверстие, закрытое резьбовой пробкой 11, через которое удаляют воздух из полости насоса при заполнении системы водой. Отверстие в нижней части крышки (на рисунке не показано), совпадающее со сверлением в привалочной плоскости блока, служит для выхода из полости насоса в водяную рубашку блока воды при сливе ее из системы.
Утечка воды из полости насоса предотвращается специальным уплотнением (рис. 53, б). Шайба 22, изготовленная из графитизированного текстолита, своими выступами входит в пазы ступицы крыльчатки 13 и вращается вместе с ней. Пружиной 25 эта шайба плотно прижимается к шлифованному торцу втулки 17, запрессованной в корпус 12 насоса. Доступ воде в зазор между валом 19 и шайбой 22 перекрыт резиновой манжетой 26, которая плотно надета на вал. Просочившаяся через уплотнение вода вытекает наружу по дренажному отверстию 18.
Шарикоподшипники 7 и 9 вала (см. рис. 53, а) смазываются солидолом, нагнетаемым через масленку 8. По мере заполнения полости подшипников солидолом воздух из нее вытесняется наружу через отверстие. Появление солидола в этом отверстии свидетельствует о том, что смазочного материала достаточно. Манжетные уплотнения 5 и 10 предотвращают утечку смазочного материала через зазоры между валом и корпусом насоса.
Дистанционный термометр (рис. 54) применяют для определения и контроля температуры в системе охлаждения.
Он состоит из датчика 1, трубки 2 и измерителя с циферблатом.
Датчик термометра представляет собой полый цилиндр с полусферическим дном.
Капиллярной трубкой 2 датчик соединен с измерителем, который установлен на щитке приборов двигателя. От механических повреждений капиллярная трубка защищена оболочкой и металлической оплеткой. Датчик вставляют в отверстие ниппеля на патрубке верхнего бака радиатора и закрепляют нажимной гайкой. Конец датчика выступает в патрубок и омывается водой, поступающей из двигателя в радиатор.
Измеритель выполнен по типу манометра с трубчатой пружиной 4, соединенной с датчиком. В цилиндр датчика, трубку 2 и трубчатую пружину залит хлорметил. При изменении температуры воды, омывающей датчик, изменяется состояние легко испаряющегося хлорметила и давление в трубке 2, Под действием этого давления трубчатая пружина 4 изменяет свою форму и с помощью передаточного механизма поворачивает стрелку измерителя.
Для отсчета показаний прибор имеет циферблат с градуированной шкалой.
Условия смазывания отдельных деталей двигателей различны.
Некоторые детали (например, шатунные и коренные подшипники коленчатого вала) работают при больших нагрузках, но при сравнительно низкой температуре (100—150 °C) и поэтому допускают обильное смазывание. Другие детали (например, поршни и гильзы) работают не только при больших нагрузках, но и находятся под действием газов, нагретых до температуры свыше 1000 °C. По этой причине избыток масла на стенках цилиндра вреден, так как может вызвать нагарообразование и отложение смолистых веществ, выделяющихся из масла.
В зависимости от способа подачи масла различают смазывание разбрызгиванием, под давлением и комбинированное.
Смазывание разбрызгиванием осуществляется наиболее просто. Масло, налитое в картер, при вращении коленчатого вала разбрызгивается нижними головками шатунов. Частицы масла попадают на трущиеся поверхности либо непосредственно, либо по каналам, подведенным к местам сопряжения. Этот способ имеет ряд недостатков. Интенсивность смазывания уменьшается при понижении уровня масла в картере и уменьшении частоты вращения коленчатого вала. Некоторые сборочные единицы двигателя не могут работать без подачи к ним смазочного материала под давлением. Кроме того, из-за отсутствия направленной циркуляции масла в системе нельзя поставить фильтр для очистки масла. Вследствие этого смазывание разбрызгиванием применяют только на пусковых кратковременно работающих двигателях или в комбинированной смазочной системе.
Смазывание под давлением бывает с пульсирующей (периодической) и циркуляционной (непрерывной) подачей.
При пульсирующей подаче смазочного материала каждая трущаяся поверхность через определенные, иногда регулируемые промежутки времени получает установленную порцию масла. Этот способ подачи масла не нашел применения на тракторных дизелях.
При циркуляционной подаче смазочного материала смазочный насос непрерывно подает масло из картера к трущимся поверхностям. Лишнее масло стекает в картер, откуда откачивается насосом.
Смазочная система под давлением конструктивно сложна и поэтому обычно ее используют в комбинированной смазочной системе, которую применяют на большинстве современных автотракторных двигателей внутреннего сгорания.
При комбинированной смазочной системе часть деталей смазывается под давлением путем циркуляционной подачи масла (подшипники и др.), а другая — разбрызгиванием.
Топливный и водяной насосы, регулятор частоты вращения, вентилятор и механизмы системы пуска имеют самостоятельные устройства для смазывания деталей.
На рис. 45 в качестве примера показана система комбинированного смазывания дизеля. При работе дизеля через шестерни 17 привода вращается вал смазочного насоса 14. Насос через маслоприемник 16 засасывает масло из картера и по трубопроводу 5 подает его в верхний коллектор радиатора 1.
Опускаясь по трубкам радиатора и охлаждаясь, масло из нижнего коллектора радиатора поступает в корпус масляных фильтров 7 и 11. После очистки в фильтре 7 основной объем масла поступает в главную масляную магистраль 10 двигателя. Остальная часть масла проходит через фильтр 11 тонкой очистки, а затем сливается в поддон картера. Если фильтр 7 грубой очистки засорен, то нефильтрованное масло попадает в смазочную систему помимо фильтра через перепускной клапан 8.
Холодное и густое масло плохо проходит через радиатор 1 из-за большого сопротивления в трубопроводах 5 и 6 и в трубках радиатора. В этом случае открывается перепускной клапан 9 и масло поступает в фильтр 7, минуя радиатор. При этом ускоряется прогрев масла. Если же прохождение холодного масла невозможно и через фильтр 7, то открывается клапан 8 и нефильтрованное масло поступает непосредственно в главную магистраль 10. Максимальное давление масла в системе ограничивается редукционным клапаном 15.
Из главной магистрали 10, проходящей вдоль блока цилиндров, масло поступает под давлением к коренным и шатунным подшипникам коленчатого вала, подшипникам распределительного вала 19, подшипнику привода топливного насоса, распределительным шестерням 18, коромыслам 3 клапанов и осям 4 коромысел. Следовательно, перечисленные сборочные единицы и детали двигателя смазываются под давлением. Остальные трущиеся поверхности смазываются маслом, которое разбрызгивается быстро движущимися деталями, в частности деталями кривошипно-шатунного механизма.
Так смазываются стенки цилиндров, поршни и поршневые кольца.
Часть разбрызгиваемого коленчатым валом масла попадает в отверстие в верхней головке шатуна, откуда поступает к поршневому пальцу и втулке верхней головки шатуна. Масло попадает также на кулачки распределительного вала 19. В ряде конструкций кулачки смазываются маслом, вытекающим через отверстия в толкателях.
Трущиеся поверхности толкателей клапанов смазываются маслом, стекающим через отверстия для штанг в головке блока цилиндров. На валы приводных шестерен 17 смазочного насоса смазочный материал поступаете распределительных шестерен 18.
Давление масла контролируют на щитке приборов манометром 13, к которому масло подводится по трубке из главной магистрали 10.
На щитке приборов помещен также указатель дистанционного термометра 12, приемник которого расположен в поддоне картера.
В качестве насосов в смазочных системах применяют шестеренные насосы. Схема действия одноступенчатого шестеренного насоса показана на рис. 46. В корпусе 6 насоса помещены две шестерни: ведущая 1 и ведомая 2. Ведущая шестерня шпонкой или шлицами жестко закреплена на валу, который приводится во вращение от шестерни коленчатого вала через одну или две промежуточные шестерни. Ведомая шестерня 2 свободно вращается на оси, запрессованной в корпусе 6. Между зубьями шестерни 1 и 2 и стенками корпуса 6 имеется небольшой зазор 0,05—0,1 мм.
При работе насоса шестерни вращаются в разные стороны (на рисунке указано стрелками). Масло под действием создаваемого при вращении шестерен разрежения поступает в насос через масло- приемник 8 и входной канал 7 и, попадая между впадинами зубьев шестерен, переносится ими в нагнетательный канал 3. Из канала 3 масло поступает под давлением в смазочную систему. Давление, создаваемое насосом, и производительность его зависят от размеров насоса, его частоты вращения, сопротивлений в трубопроводах и каналах, а также от износа деталей насоса. Поэтому подбирают насос такой производительности, чтобы он обеспечивал надежную работу смазочной системы в течение длительного периода, т. е. с учетом возможного износа его деталей, изменения сопротивления в системе и т. д.
В новом двигателе насос подает излишнее количество масла, давление которого при пуске в холодную погоду может сильно возрасти. Чтобы избежать в этом случае повреждения элементов системы, насос снабжают редукционным (предохранительным) клапаном 4, который автоматически ограничивает в ней величину максимального давления масла. При чрезмерном повышении давления стаканчик клапана сжимает пружину и часть масла через открывшееся отверстие перетекает обратно в картер, в результате чего давление в канале 3 снижается. Изменяя предварительную затяжку пружины клапана 4 вин том 5, регулируют давление в системе.
В маслоприемник 8 вставлена фильтрующая металлическая сетка, которая предохраняет от попадания в насос механических частиц.
При работе двигателя в масле постепенно накапливаются частицы несгоревшего топлива, продукты окисления масла (нагар, смолистые вещества), а также частицы пыли и металла. Быстрое удаление всех этих примесей из масла позволяет не только снизить износ деталей, но и повысить срок использования масла. Наиболее эффективное средство сохранения работоспособности двигателя— фильтрация масла. Схема фильтрации масла показана на рис. 47.
Из нижней части картера по каналам в его стенках масло подается насосом в канал 1 корпуса 14 фильтров. В канале 1 масло разветвляется на два параллельных потока, из которых один направляется для тонкой очистки в реактивную центрифугу, а другой в фильтр 5 грубой очистки.
Основная часть реактивной центрифуги — ротор 8, вращающийся на вертикальной оси 12, нижний конец которой установлен на резьбе в корпусе фильтров. На верхний конец оси навернута гайка крепления колпака фильтра тонкой очистки.
В центральный канал ротора запрессованы две бронзовые втулки, опирающиеся на шлифованные шейки оси. В цилиндрические выточки днища ротора запрессованы две стальные маслоприемные трубки 9, в верхней части которых сделаны прорези, закрытые сетчатыми колпачками. Внизу трубки сообщаются с касательно
расположенными каналами 11 в днище ротора 8. На открытых концах каналов установлены форсунки с калиброванными отверстиями.
Масло поступает в ротор через продольный и поперечный каналы в оси и, заполняя внутреннюю полость ротора, вытекает с большой скоростью из форсунки каналов 11 . Под действием вытекающих струй масла ротор вращается с большой частотой вращения (около 6000 об/мин). Механические примеси отделяются от масла под действием на них центробежной силы, возникающей при вращении, и осаждаются на внутренних стенках ротора. В роторе установлен отражательный стакан 10, который направляет масло, выходящее из поперечных каналов оси 12, в нижнюю часть корпуса центрифуги, чем предотвращается смывание отложений со стенок ротора. Из каналов 11 очищенное масло сначала сливается в корпус 14 фильтров, а затем в картер двигателя.
Основной поток масла (около 90 %) из канала 1 направляется к фильтру 5 грубой очистки либо через масляный радиатор, либо помимо него. В последнем случае под давлением масла должен от крыться редукционный клапан 3. Это происходит, если масло холодное и густое и ему легче преодолеть сопротивление пружины клапана 3, чем пройти через радиатор. Горячее и жидкое масло свободно протекает при закрытом клапане 3 через радиатор и поступает к фильтру грубой очистки охлажденным.
Фильтр 5 состоит из металлической ленты 6 с выступами высотой 0,07 мм, благодаря которым при наматывании ленты на гофрированный стакан 7 между витками образуются щели, через которые масло проходит, а механические примеси задерживаются. Из фильтра грубой очистки масло поступает в главную магистраль, а оттуда — к смазываемым поверхностям.
В корпусе фильтра установлены три клапана: редукционный 3 — для перепуска масла в холодном двигателе помимо масляного радиатора; перепускной 2 — для перепуска масла в главную магистраль при засорении фильтра 5, а также нефильтрованного густого масла в начале работы непрогретого дизеля; сливной клапан 13 — удаления избыточного масла в картер.
Для нормальной работы двигателя температура масла в смазочной системе должна быть в пределах 70—85 °C. При нагревании масла выше 90 °C вязкость масла значительно снижается, ухудшаются его смазочные свойства и повышается расход. Для охлаждения масла в жаркую погоду и при работе двигателя на больших нагрузках в смазочной системе предусмотрен масляный радиатор, который помещают перед водяным радиатором, в результате чего он омывается воздухом, подаваемым вентилятором. Масляный радиатор имеет верхний и нижний коллекторы, сердцевину, подводящий и отводящий маслопроводы. Сердцевина состоит из трубок с припаянными к ним пластинами или трубок с навитой на них тонкой лентой.
У некоторых дизелей (СМД-14) нижний коллектор разделен на две или три отдельные секции поперечными перегородками. Масло, поднимаясь по одной части трубок к верхнему коллектору и опускаясь затем по другой части трубок в нижний коллектор, совершает петлеобразный путь.
Удлинение пути масла в радиаторе повышает охлаждающую способность последнего.
В процессе работы дорожных и строительных машин нагрузка на двигатели непрерывно изменяется в зависимости от разрабатываемого грунта и выполняемых операций. Если при этом сохранять постоянной подачу топлива, то изменение нагрузки вызывает изменение частоты вращения коленчатого вала. Для сохранения заданного скоростного режима на двигателях устанавливают регуляторы, автоматически поддерживающие в определенных пределах частоту вращения коленчатого вала двигателя независимо от внешней нагрузки.
В результате воздействия регулятора на рейку топливного насоса или на дроссельную заслонку изменяется количество подаваемого в цилиндры топлива или горючей смеси, а следовательно, повышается или уменьшается мощность двигателя при заданной частоте вращения коленчатого вала.
По принципу действия чувствительного элемента регуляторы разделяют на механические, гидравлические, пневматические и электрические. Чувствительным элементом называют механизм, реагирующий на изменение параметра (частоты вращения) и вырабатывающий импульс (усилие) для воздействия на орган управления двигателем (рейку топливного насоса или дроссельную заслонку).
Если чувствительный элемент непосредственно воздействует на орган управления, регулятор называется регулятором прямого действия. На двигателях дорожных и строительных машин преимущественно распространены регуляторы прямого действия с механическими центробежными чувствительными элементами (центробежные регуляторы), в которых орган управления перемещается под действием центробежной силы вращающихся масс (грузиков или шариков).
Центробежные регуляторы бывают одно-, двух- и всережимными. Однорежимные регуляторы предназначены для поддержания одного скоростного режима, а двухрежимные поддерживают минимальную и максимальную частоту вращения. Всережимные регуляторы обеспечивают устойчивую работу двигателя на любом скоростном режиме в пределах от максимально допустимой частоты вращения коленчатого вала до минимальной.
Применяют также предельные регуляторы, ограничивающие максимальную частоту вращения. В этом случае двигатель на всех эксплуатационных режимах работает без участия регулятора.
Последний вступает в работу лишь при внезапном случайном уменьшении нагрузки, предохраняя двигатель от разноса — чрезмерного увеличения частоты вращения.
Механизм однорежимного регулятора (рис. 43) заключен в корпус 14 с крышкой 13. Вращение валу 15 регулятора передается от коленчатого вала двигателя через распределительные шестерни, которые включают и шестерню 20. Вместе с валом 15 вращается ведущий диск 19 с четырьмя шаровыми грузами 17, находящимися в его прорезях. Под действием центробежной силы грузы начинают расходиться и стремятся передвинуть подвижный диск 16 вдоль оси вала вправо.
Передвижению диска 16 противодействует через двуплечий рычаг 7 пружина 4 регулятора. При увеличении частоты вращения коленчатого вала расхождение грузов увеличивается, сила их нажатия на подвижный диск 16 возрастает, в результате чего диск перемещается, через шаровой упор 12 нажимает на направляющий палец 10 и перемещает его.
Палец 10, действуя на короткое плечо рычага 7 через лыску 11, поворачивает его вместе с осью 8. Длинное плечо рычага 7 сжимает при этом пружину 4. Вместе с осью 8 поворачивается также закреп ленный на ней рычаг 6, который через шарнирную тягу 3 и рычаг 2 прикрывает дроссельную заслонку 1 карбюратора. При этом количество горючей смеси, поступающей в цилиндр, уменьшается и частота вращения коленчатого вала начинает падать.
С уменьшением частоты вращения коленчатого вала сила нажатия грузов 17 на подвижный диск 16 падает и он под действием пружины 4 перемещается влево. При этом ось 8 вместе с рычагами 7 и 6 поворачивается по часовой стрелке и дроссельная заслонка 1 открывается. В цилиндр поступает больше горючей смеси и частота вращения двигателя увеличивается. Таким образом, поддерживается постоянная скорость вращения коленчатого вала двигателя.
Применение на двигателе всережимного регулятора (рис. 44) создает ряд преимуществ: упрощается управление
машиной и облегчается труд машиниста; повышается производительность машины за счет сокращения затрат времени, связанных с переключением передач; снижается расход топлива при работе с неполной нагрузкой. Регулятор автоматически поддерживает в определенных пределах установленную машинистом частоту вращения коленчатого вала независимо от изменения внешней нагрузки. Действуя на рейку топливного насоса, регулятор изменяет количество подаваемого в цилиндры топлива, а следовательно, повышает или уменьшает мощность двигателя.
Шестерня 11 привода регулятора и топливного насоса получает вращение от коленчатого вала и передает движение через пару конических шестерен вертикальному валу 10 регулятора. Вместе с валом вращаются укрепленные на нем грузы 9, расходящиеся в стороны под действием центробежной силы и стремящиеся через сухари 8 и муфту 7 повернуть рычаг 6. Перемещению муфты 7 вверх и повороту рычага 6 противодействует пружина 16 регулятора.
При неизменной нагрузке двигателя коленчатый вал вращается с постоянной частотой вращения и в регуляторе устанавливается равновесие между центробежной силой грузов 9 и натяжением пружины 16.
При повышении внешней нагрузки частота вращения снижается и соответственно падает скорость вращения грузов регулятора.
В результате уменьшения центробежной силы равновесие в регуляторе нарушается и грузы под воздействием растянутой пружины 16 сближаются. Рычаг 6 поворачивается и с помощью тяги 12 пере двигает рейку 5 топливного насоса в сторону увеличения подачи топлива. Частота вращения и мощность двигателя повышаются и в регуляторе вновь устанавливается равновесие между центробежной силой грузов 9 и натяжением пружины 16.
При снятии нагрузки с двигателя частота вращения его несколько увеличивается. Под действием возросшей центробежной силы грузы 9 через систему рычагов передвигают рейку 5 в сторону уменьшения подачи топлива. В результате частота вращения и мощность двигателя понизятся.
Нужно иметь в виду, что при заданном положении рычага 4 частота вращения, хотя и в узких пределах, но меняется с изменением нагрузки. В случае необходимости машинист может изменять скоростной режим работы двигателя. Это достигается воздействием на пружину 16 через систему рычагов, приводимую в движение рычагом 4 управления подачей топлива. При перемещении рычага 4 влево пружина 16 растягивается и двигатель развивает большую частоту вращения. Это связано с тем, что большему усилию пружины при том же равновесном расхождении грузов соответствует большее число оборотов грузов, а следовательно, и двигателя.
Максимальная частота вращения ограничивается благодаря тому, что плечо 15 трехплечего рычага доходит до упора 13 максимальной подачи. При перестановке рычага 4 вправо пружина 16 растягивается меньше, подача уменьшается и двигатель снижает частоту вращения до тех пор, пока плечо 14 трехплечего рычага не дойдет до упора 17 минимальной подачи. Положение упоров 13 и 17 можно изменять регулировочными винтами.
У топливных насосов дизелей количество топлива, подаваемого в цилиндр двигателя за один ход плунжера, снижается при уменьшении частоты вращения коленчатого вала и неизменном положении рейки насоса. Так как снижение частоты вращения вала двигателя обычно происходит вследствие его перегрузки, т. е. тогда, когда мощность двигателя недостаточна для преодоления внешней нагрузки, то уменьшение подачи топлива насосом в этот момент особенно нежелательно.
Чтобы увеличить подачу топлива при перегрузке двигателя, насосы имеют специальное устройство — корректор подачи топлива.
Все корректоры связаны с механизмом регулятора. Действие корректоров основано на создании возможности дополнительного продвижения рейки насоса в сторону увеличения подачи топлива при уменьшении частоты вращения коленчатого вала от перегрузки двигателя.
Корректор состоит из регулировочной муфты 3, пластинчатой пружины 2 и прокладки 1, соединенных штифтом. При перегрузке двигателя вследствие снижения частоты вращения грузы 9 под действием пружины 16 сближаются больше, чем на полной нагрузке при данном режиме. В результате рейка 5 дополнительно продвигается, муфта 3, упираясь в пружину 2, деформирует ее. Подача топлива в этом случае увеличивается, что вызывает повышение мощности и, следовательно, дополнительное увеличение крутящего момента двигателя.
Дополнительное продвижение рейки и увеличение подачи топлива в описываемом корректоре ограничены толщиной прокладки 1 и жесткостью пружины. Увеличение толщины этой прокладки против рекомендуемой не допускается, так как это может вызвать значительное повышение мощности и крутящего момента двигателя и привести к поломке.