Как работает система смазки двигателя?

Устройство автомобилей

Система смазки двигателя

Назначение системы смазки и ее дополнительные функции

Смазочная система (система смазки) предназначена для подачи масла к трущимся поверхностям с целью уменьшения сил трения, а также для охлаждения деталей, удаления продуктов нагара и износа, предохранения деталей двигателя от коррозии.
Помимо этого, масло существенно уплотняет зазоры между сопряженными деталями.
Кроме перечисленных функций, смазочная система может выполнять и специфические задачи.
Моторное масло из смазочной системы применяется в гидрокомпенсаторах тепловых зазоров клапанов, гидронатяжителях привода газораспределительного механизма, в системах регулирования фаз газораспределения, в гидравлическом приводе вентилятора системы охлаждения и т. п.

Если рабочие поверхности деталей, сопрягаемых в подвижном соединении, абсолютно сухие, то имеет место сухое трение, сопровождающееся интенсивным выделением теплоты, изнашиванием поверхностей, и требующее значительных затрат энергии на относительное перемещение деталей.

Трение между поверхностями, разделенными достаточно толстым слоем масла, называется жидкостным. В этом случае усилие, необходимое для относительного перемещения деталей, значительно сокращается и существенно уменьшается изнашивание их рабочих поверхностей.
В двигателе внутреннего сгорания стойкое жидкостное трение удается осуществить только в подшипниках коленчатого вала на рабочих режимах.

Остальные сопряженные пары движутся возвратно-поступательно или качаются, поэтому на их поверхностях не удается сохранить масляный слой достаточной толщины. Такое трение, когда рабочие поверхности разделены лишь тонкой пленкой масла (толщиной менее 0,1 мм) называется граничным.
В зависимости от толщины пленки граничное трение может быть полужидким или полусухим. Последнее характеризуется возможностью “схватывания” микровыступов трущихся поверхностей, склонностью к задирам и эрозивному изнашиванию.

Полужидкое трение наиболее характерно для деталей цилиндропоршневой группы. В паре “выпускной клапан – направляющая втулка” возможно возникновение полусухого трения.

Подача масла к трущимся поверхностям должна быть бесперебойной. При недостаточной смазке теряется мощность двигателя, повышается износ деталей и возрастает вероятность отказа из-за разрушения подшипников коленчатого вала, заклинивания поршней, распределительного механизма и т. п.

Нельзя допускать и избыточного смазывания, так как это может привести к попаданию масла в камеру сгорания и на электроды свечей зажигания, вследствие чего увеличивается нагарообразование в днищах поршней, стенках камеры сгорания и клапанах.
Это приводит к перегреву и перебоям в работе двигателя, а также к перерасходу масла.

Требования к системе смазки двигателя

Требования, предъявляемые к смазочной системе, основываются на ее функциях и задачах:

• бесперебойная подача масла к трущимся деталям на всех режимах работы двигателя, на подъемах и спусках автомобиля с уклоном до 35 % и при крене до 25 %, при температуре окружающей среды от +50 до -50 ˚С, при положительных и отрицательных горизонтальных и вертикальных ускорениях;
• достаточная степень очистки масла от механических примесей;
• прочная конструкция;
• удобство технического обслуживания;

Способы смазки деталей двигателя

В зависимости от способа подачи масла к трущимся поверхностям различают следующие способы смазывания:

• разбрызгиванием и посредством масляного тумана;
• под давлением;
• комбинированное.

Под давлением масло подводится к трущимся деталям из главной масляной магистрали, давление в которой создается насосом.

Смазка разбрызгиванием осуществляется специальными форсунками или подвижными деталями кривошипно-шатунного механизма (КШМ), а также путем создания масляного тумана из стекающего в картер масла.

Комбинированная система смазывания сочетает в себе первые два способа.

В современных автомобилях, как правило, система смазки имеет комбинированное устройство. Ее особенность заключается в следующем: к деталям, более всего подверженным износу, масло подается под давлением, а к тем, которые работают в более легких условиях, разбрызгиванием.
Под давлением масло подводится к коренным и шатунным подшипникам коленчатого вала, опорам распределительного вала, сочленениям привода газораспределительного механизма (ГРМ), зубчатым колесам привода распределительного вала, топливному насосу высокого давления (ТНВД) дизелей.
В некоторых двигателях под давлением смазываются сопряжения верхней головки шатуна с поршневым пальцем.

Разбрызгиванием масло подается на зеркало цилиндра из отверстия в кривошипной головке шатуна, а также разбрызгивается специальными форсунками на днище поршня. Масляные форсунки могут быть расположены у верхней головки шатуна или в нижней части цилиндра.
Подаваемое на днище поршня масло выполняет двоякие функции – во-первых, оно охлаждает днище поршня, во-вторых, при стекании по стенкам гильзы, оно смазывает сопрягаемую пару “поршень-гильза цилиндров”, а далее, продолжая стекать в поддон и сталкиваясь с подвижными деталями КШМ, образует масляный туман, также смазывающий детали двигателя.

Существует способ смазывания самотеком , когда подача масла осуществляется по каналам из резервуаров, карманов, различных полостей и углублений, расположенных выше смазываемых поверхностей.

В зависимости от места размещения основного запаса масла смазочные системы могут быть с “мокрым” (рис. 1 ) или “сухим” ( рис. 2 ) картером.

Для детального просмотра кликните по рисунку мышкой, и схема откроется в отдельном окне браузера.

Наибольшее распространение на автомобильных двигателях получили смазочные системы с “мокрым” картером , которые имеют более простую конструкцию. В этом случае основной запас масла находится в поддоне картера и при работе двигателя масло подается к трущимся деталям масляным насосом, затем оно самотеком возвращается обратно в поддон.
Это техническое решение имеет ряд недостатков, наиболее существенные из которых – вспенивание масла при высоких оборотах коленчатого вала, а также сильное плескание в картере, из-за чего может оголиться маслоприемник, что ведет к значительному снижению давления в системе смазки и масляному “голоданию”.
Кроме того, относительно глубокий поддон негативно влияет на общие габариты и расположение центра тяжести двигателя и автомобиля в целом.

В системах с “сухим” картером основной запас масла содержится в отдельном масляном баке 5 ( рис. 2 ) и масло подается к трущимся деталям нагнетающей секцией масляного насоса. Стекающее в поддон масло полностью удаляется из него откачивающими секциями масляного насоса 9 и вновь подается в масляный бак 5.
Такая смазочная система обеспечивает надежную смазку на крутых подъемах, спусках и уклонах без утечки масла через уплотнения между деталями двигателя, а также позволяет уменьшить высоту двигателя за счет менее глубокого поддона.
Кроме того, при “сухом” картере масло в меньшей мере нагревается от горячих деталей и подвергается вредному воздействию картерных газов, благодаря чему дольше сохраняет смазывающие свойства.

Из недостатков системы смазки с “сухим” картером можно отметить высокую стоимость, больший вес, более сложное устройство и больший заправочный объем в сравнении с системой смазки с “мокрым” картером.

Система смазки с “сухим” картером обычно применяется на автомобилях с высокофорсированными двигателями, предназначенными, например, для гонок, а также в некоторых моделях внедорожников, которым часто приходится передвигаться по бездорожью со сложным рельефом местности.
В некоторых случая такая система смазывания деталей двигателя используется для уменьшения габаритной высоты силового агрегата.

Система смазки двигателя

Двигатель внутреннего сгорания состоит из множества трущихся друг о друга деталей. Процесс трения деталей называется фрикциями. В двигателях внутреннего сгорания фрикции являются отрицательными процессами, так как напрямую вызывают износ деталей и уменьшение КПД двигателя. Для уменьшения фрикционного износа, в двигателях применяется система смазки трущихся деталей . Для двигателей внутреннего сгорания применяется самая распространенная система смазки двигателя – комбинированная . Для двухтактных двигателей – топливная, то есть моторное масло смешивается с топливом. Во время работы подмешанное масло смазывает узлы и детали двигателя.

В комбинированной системе смазки масло может выполнять и охлаждающие функции . Для охлаждения самого моторного масла в некоторых системах применяются масляные радиаторы, которые включаются в контур забора масла и установлены в передней части моторного отсека. Для двигателей небольшого литража применяются теплообменники. Обычно это узел, на который устанавливается масляный фильтр. Теплообменник имеет выходы для подключения контура охлаждения. Процесс охлаждения масла совмещен непосредственно с охлаждением двигателя. Охлаждающая жидкость, проходя через теплообменник, забирает часть тепла от подаваемого в двигатель моторного масла, исключая его перегрев и разложение под действием высоких температур.

В комбинированной системе смазки масло подается под давлением в масляные каналы. Но при этом смазывание происходит как под давлением, так и при помощи образующейся масляной ванночки, разбрызгиванием.

Устройство системы смазки

Комбинированная система смазки ДВС включает в себя несколько основных элементов:

• Поддон
• Масляный насос
• Заборник
• Масляный фильтр
• Контуры подачи масла к деталям и узлам

Поддон

Это конструктивно установленная на блок цилиндров (в нижней части) ёмкость, в которой находится моторное масло. Поддон изготавливается из железа или алюминия. Для исключения образования масляной пены, между поддоном и блоком цилиндров установлена пеногасительная пластина. У поддона имеется резьбовое сливное отверстие. Форма поддона обычно имеет наклонные плоскости, углубление для заборника масляного насоса. Заборник должен устанавливаться с учетом неполного забора масла со дна поддона . Делается это для недопускания попадания частиц мусора скапливающихся на дне поддона в масляный насос.

Контроль уровня масла производится при помощи щупа с делениями, указывающими на допустимое количество. Контроль должен проводиться постоянно и при малейшем изменении уровня, необходимо устранять причины подъема или опускания уровня масла. Повышенный расход масла указывает на отсутствие компрессии в цилиндрах, износ турбины, или износ сальников. Повышенный уровень может свидетельствовать об утечке охлаждающей жидкости в поддон, залегании компрессионных колец.

Замена масла производится строго с учетом рекомендаций производителя. Менять масло на другие марки по API (не рекомендованные производителем) не следует .

Масляный насос

Узел, который подает масло под давлением в систему смазки двигателя. Разновидностей масляных насосов множество (поршневые, шестеренчатые, воздушные и др.). Для двигателей внутреннего сгорания применяются насосы шестеренчатые . Масло нагнетается при помощи двух шестерен, подогнанных друг к другу с минимальным зазором между зубьями. В корпусе насоса находится редукционный клапан, который сбрасывает излишки давления масла. Приводится в действие насос вращающимся коленвалом непосредственно или при помощи цепной передачи. К масляному насосу присоединяется заборник с сетчатым фильтром грубой очистки.

Масляный фильтр

Предназначен для очистки масла от металлических примесей, появляющихся в процессе эксплуатации двигателя, от конденсата воды, от других вредных веществ. Крепится в непосредственной близости к масляному насосу, обычно на резьбовом соединении. Фильтр имеет форму цилиндра с отверстием в центре для подачи масла и отверстиями по краю для подачи отфильтрованного масла в каналы смазки. Существуют фильтры несменные, в таких фильтрах меняется только фильтрующий элемент. Остальные фильтры меняются вместе с заменой масла.

Принцип работы системы смазки

При запуске двигателя начинает вращаться масляный насос, который подает масло в фильтр , далее масло поступает в каналы смазки и распределяется на узлы , которые работают в режиме повышенного износа. Это шейки коленчатого вала (коренные, шатунные), шейки распредвала и в турбированных двигателях пальцы поршней и турбина. Во многих турбированных двигателях стоят специальные форсунки, которые подают масло под давлением на пальцы поршней.

После смазки шеек распредвала, масло образует масляную ванночку в ГБЦ . Этим маслом смазываются бобышки распредвала и толкатели клапанов, клапаны. После увеличения уровня в ванночке, масло по сливным каналам опять поступает в поддон. В поддоне, под действием движущихся шатунов и выдавливания масла из-под вкладышей шеек, образуется масляный туман , который разбрызгивается по стенкам цилиндров. После смазывания цилиндров, оно снимается со стенок маслосъёмными кольцами. Избыточное давление, которое возникает в картере, снимается при помощи сапуна. Сапун представляет собой устройство задержки масла и выпуска воздуха из картера. Выход сапуна подключается к заборнику воздушного фильтра.

Процесс смазки происходит непрерывно, пока работает двигатель, контроль давления масла осуществляется при помощи установленного датчика на выходе фильтра и указателя давления на приборной панели. При малейшем несоответствии давления (мигание лампочки контроля), двигатель немедленно должен быть остановлен.

РЕКОМЕНДУЕМ ТАКЖЕ ПРОЧИТАТЬ:

4.9 Система смазки двигателя

В двигателе находится большое количество трущихся друг о друга деталей, все они металлические, и всем им требуется смазка, ибо они нагреваются и, как следствие, могут заклинить. Поэтому в двигателе есть система смазки: с каналами (магистралями), с поддоном и с масляным насосом. Упрощенная схема системы смазки приведена на рисунке 4.38.

Помимо смазывания, масло еще выполняет роль охладителя раскаленных трущихся деталей двигателя. Именно поэтому часто в дизельных, а иногда и в бензиновых двигателях устанавливают специальные распылители, направленные на нижние части поршней, но об этом позже.

Рисунок 4.38 Упрощенная схема системы смазки.

Основные элементы системы смазки

Масляный насос

О назначении сего устройства говорит его название. Масляный насос необходим для перекачки моторного масла из масляного поддона, который находится в самой нижней части двигателя, ко всем трущимся деталям через специальные масляные каналы.

Для этой цели применяют насосы шестеренного типа с внешним и внутренним зацеплением. Насосы первого типа — сейчас большая редкость из-за своих габаритов, потому рассмотрим тип насоса, являющийся наиболее актуальным на сегодняшний день – шестеренный с внутренним зацеплением, пример которого можно увидеть на рисунке 4.39.

Рисунок 4.39 Масляный насос шестеренного типа с внутренним зацеплением.

Приводится масляный насос обычно от коленчатого вала цепью, ремнем или шестерней, в зависимости от типа привода газораспределительного механизма или непосредственно установлен на коленчатом вале. Работа насоса заключается в том, что при вращении малая шестерня перекатывается по большой, увлекая за собой моторное масло, и по каналам под давлением подводит его к трущимся деталям.

Редукционный клапан

Редукционный клапан служит для ограничения давления масла в маслопроводах системы смазки. Давление масла может повыситься при очень больших количествах оборотов коленчатого вала двигателя или при чрезмерно густом масле, например, в холодном двигателе. Редукционный клапан обычно ставят в корпусе насоса. Он представляет собой шарик, поджатый пружиной. Пока давление масла нормальное, шарик плотно прижат к пружине, когда давление начинает чрезмерно повышаться, шарик перемещается, сжимая пружину, при этом открывается перепускной канал, по которому масло из поддона через насос снова стекает в поддон.

Масляные фильтры

Двигатель работает, масло смазывает, однако, так или иначе, появляются продукты износа трущихся деталей. Продукты износа – это довольно мелкие частички металлической стружки, образующиеся при трении и, как следствие, износе деталей. Также масло загрязняется частицами нагара и пыли, проникающей в картер. Эти механические примеси, попадая вместе с маслом к трущимся деталям, увеличивают их износ и поэтому должны быть удалены из масла.

Примечание
Масляные фильтры служат для очистки масла от механических примесей, в результате чего увеличивается продолжительность его работы.

Рисунок 4.40 Масляный фильтр.

Зачастую в двигателе имеются два масляных фильтра: один – сетчатый – устанавливается на маслоприемнике (который показан на рисунке 4.38), а второй — в собственном корпусе в наиболее доступном месте на блоке цилиндров двигателя.

Состоит такой фильтр из корпуса и фильтрующего элемента вставленного в корпус.

Масляный радиатор

Узнав о том, что в процессе работы все детали двигателя очень сильно нагреваются, вы могли предположить, что и масло, смазывающее эти самые детали, также нагревается, достигая приличных температур. А при сильном перегреве моторное масло начинает очень стремительно терять свои свойства — все это может вылиться в довольно плачевные последствия для двигателя.

Примечание
При работе двигателя температура моторного масла не должна сильно повышаться во избежание падения его вязкости.

Чтобы поддерживать температуру моторного масла в наиболее эффективном диапазоне, устанавливают масляный радиатор, который иногда схож с радиатором системы охлаждения (см. рисунок 4.33). При воздушном охлаждении масляный радиатор трубчатого типа, включенный в масляную магистраль, ставят перед радиатором водяной системы охлаждения двигателя.

Примечание
Если конструкция предполагает жидкостное охлаждение масла, то она называется охладителем, а не радиатором (схематически такой охладитель можно увидеть на рисунке 4.32).

Примечание
Радиатор с водяным охлаждением обеспечивает не только охлаждение масла при работе в тяжелых условиях, но и быстрый прогрев масла при пуске двигателя.

Масляный поддон, картер

Масляный поддон — чаще всего штампованная деталь, имеющая вид чаши или кухонного противня. Это емкость, в которой находится моторное масло, оттуда оно через маслоприемник (рисунок 4.38) подается ко всем трущимся деталям и туда же стекает после смазки данных деталей. В главе «Техническое обслуживание» описан щуп, с помощью которого измеряется уровень моторного масла. Так вот, данный щуп, а точнее его тонкая пластина с нанесенными метками, вставляется именно в поддон.

Внимание
Масло необходимо наливать в поддон до определенного уровня, который должен поддерживаться в процессе работы двигателя. При переполнении картера масло чрезмерно разбрызгивается на стенки цилиндров и может попасть в камеры сгорания, при этом нагарообразование в камерах сгорания усилится. Также возможно вспенивание масла, что приводит к значительному падению давления в системе и, если вовремя не остановиться, — к выходу двигателя из строя.
Также очевидно, что недостаток масла в системе может привести к так называемому масляному голоданию, из-за чего нередки случаи проворачивания вкладышей в коренных опорах коленчатого вала.

Картер – это самая большая корпусная деталь двигателя. Может быть отлита вместе с блоком цилиндров, а может быть отдельной деталью, крепящейся к блоку цилиндров болтами.

Вентиляция картера

В большинстве современных автомобилей установлены системы принудительной вентиляции картерных газов. В такую систему входят обычно клапаны и патрубки, соединяющие полость картера двигателя со впускным коллектором.

Сама вентиляция картера крайне важна для нормальной работы двигателя. Дело в том что, так или иначе отработавшие газы через зазоры поршневой группы попадают в картер двигателя. Так же газы образуются при контакте моторного масла с раскаленным деталями двигателя. Прорвавшиеся отработанные газы воздействуя на моторное масло, разжижают его, что приводит к уменьшению срока службы и потере эффективности. Также, в зависимости от режима работы двигателя, попавшие в картер газы могут резко повысить избыточное давление, что приведет к выдавливанию уплотнительных манжет (сальников) и прокладок. Именно для этого устанавливают клапаны, контролируемые электроникой, которые отвечают за вентиляцию картера.

Применяемые для смазки масла

Для смазки двигателей применяют масла минерального (сейчас редко), полусинтетического и синтетического происхождения.

Для повышения качества масла к нему добавляют специальные присадки (специальные химические соединения), которые повышают смазывающую способность масла, делают более стабильной его вязкость, понижают температуру застывания, уменьшают окисляющее действие масла. Присадки в масле также способствуют вымыванию смолистых отложений из зазоров трущихся деталей и т. д.

В зависимости от времени года и климатических условий для смазки двигателя следует применять масла различной вязкости. Зимой вязкость масла должна быть меньше, так как масло с большой вязкостью при низкой температуре загустеет и будет в холодном двигателе плохо проникать в зазоры трущихся деталей, а также будут затруднены заливка масла и пуск холодного двигателя.

Летом вязкость масла должна быть большей, так как масло с малой вязкостью при повышенной температуре становится еще более жидким и не обеспечивает нормальной смазки двигателя. Однако, на данный момент распространены всесезонные моторные масла.

Ниже рассмотрим обозначение вязкости масел по классификации SAE (Society of Automotive Engineers – Сообщество автомобильных инженеров).

В данном обозначении имеется две цифры, разделенные буквой W – это говорит о том, что масло всесезонное. При этом первая цифра говорит о минимальной отрицательной температуре, при которой коленвал двигателя можно будет провернуть. Так, масло 0W40 должно прокачиваться от -35°С, 15W40 – от -20°С. Вторая цифра определяет вязкость масла при температуре 100°С, а если точнее, то не саму вязкость, а допустимый диапазон ее изменения. Так, для «30» вязкость при 100°С может меняться в диапазоне от 9.3 до 12.5 сСт (сантистоксов – единиц измерения вязкости), для «40» – от 12.5 до 16.5 сСт, а для «50» – от 16.3 до 21.9 сСт. То есть кинематическая вязкость в пределах допустимого диапазона может меняться на 10…15%.

Параллельно с классификацией по SAE, характеризующей вязкость моторного масла, существует классификация по API (American Petroleum Institute – Американский институт топлива), которая определяет его применимость к конкретному мотору.

В марку масла входит индекс, состоящий из двух букв, первая из которых определяет тип двигателя: S (Service Station) – бензиновые двигатели и C (Commercial) – дизельные двигатели; вторая (A, B, C, D, E, F, G, H, J, L, M) определяет уровень эксплуатационных свойств. Марка масла может быть дробной, тогда масло с точки зрения применения универсально – для бензиновых и дизельных двигателей.