Смазывающая система

  На  толщину масляной пленки на поверхности цилиндра оказывают влияние: количество подаваемого масла и способ подвода; скорость движения колец вдоль поверхности цилиндра, зависящая от скорости поршня и двигателя; радиальное давление колец на втулку, определяемое нагрузкой цилиндра, упругостью колец и их расположением на поршне; качество рабочей поверхности цилиндра (шероховатость); свойства масла (вязкость, маслянистость, термическая стабильность и пр.); 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 нерегулярность поступления масла из штуцеров в известной мере нарушает цикличность возобновления пленки на поверхности цилиндра. Для сохранения масляной пленки необходимо, чтобы количество возмещаемого масла G_м покрывало его расход G_мр, обусловленный испарением и сгоранием масла G_исп его забрасыванием кольцами в камеру сгорания G_кс (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 G_K:  

G_мр=G_исп+G_кс+G_к

  Если  подача масла в цилиндр недостаточна (G_M< G_MP), 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 заколечный объем, и прижимающих кольцо к поверхности втулки цилиндра. В этом же направлении действует и сила упругости Р_упр металла самого кольца. Сумма сил Р_г + Р_упр = Р_рад 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 .

     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 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 коррозиоино-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 полимеризации 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_м = 0,8 г/(кВтч), 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 маслолодводящих 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 маслолодводящих 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 g_м =G_мN_е, отнесенного к номинальной мощности при номинальной частоте вращения.

Фирма   «Зульцер»

  Двигатели   типа   RD: 

  g_м = 0,54 0,81   г/(кВтч)  [0,4 0,6 г/(элсч)];

  двигатели типа RNDM:

  g_м = 0,951,36 г/(кВтч) [0,711,0 г/(элсч)].

Фирма МАН

    Двигатели типа KZ70/120E:

    g_м =1,09 1,5г/(кВтч) [0,8 1,1г/(элеч)].

   Фирма   «МАН—Бурмейстер  и  Вайн»- БМЗ

  Двигатели первой, второй и третьей степеней форсировки:

  g_м = 0,41 0,54 г/(кВтч) [0,340,4 г/(элсч)];

   двигатели четвертой и седьмой (LGFCA) степеней форсировки:

   g_м = 0,54 г/(кВт-ч) [0,4 г/(элсч)];

   двигатели десятой степени форсировки (L-MC):

   g_м=0,81 г/(кВтч)[0,6 г/(элеч)].

  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.