Расчет температуры поршней ДВС на примере ВАЗ 21124 21126 21127 21129
В чатах недавно был "замес" по поводу температуры масла на поршнях.
Уже несколько надоело как попугай одно и тоже объяснять сделал расчеты.
Масса пальца 21124 — 93гр, масса поршня (без колец) — 351г
Масса пальца 21126/21127/21129 — 67г, масса поршня (без колец) — 247г
Поршень алюминиевый сплав АК12М2МГН теплоемкость около 900Дж/(кг*К)
Палец сталь марки 12Х2Н4А 12ХНЗА 15ХМА теплоемкость около 480Дж/(кг*К)
Теплоемкость поршень+палец ВАЗ-21124
0,113кг*480Дж/(кг*К)+0,350кг*900Дж/(кг*К)=369Дж/К
Теплоемкость поршень+палец ВАЗ-21126/21127/21129
0,0695кг*480Дж/(кг*К)+0,244кг*900Дж/(кг*К)=253Дж/К
Теплопередачу колец и юбки опустим, НО у 21126(7)(9) сильно тоньше кольца и меньше юбка.
Нормальная температура ОЖ ВАЗ-21124 и АЗ-21126 в среднем 100С при максимальной нагрузке
Градиент температур поршень — гильза 21124 около 100-150С(К) (учитывая поршень 200-250С)
Тепловой поток в поршень составляет 100-150*369Дж/К=36900Дж-55350Дж при 89ЛС
ВАЗ-21124 с форсировкой 89ЛС по диаграммам температуры поршня 200-250С
Тепловой поток в поршень 21126 составляет 40630Дж-69400Дж (на 10,1% больше) при 98ЛС
Соответственно градиент температур будет 40630Дж/253Дж/К — 60940Дж/253Дж/К = 161-240К(С)
ИТОГО для 21126 мы будем иметь температуры поршней от 100С+161С=261С до 100С+240С=340С
ВАЗ-21127/21129 имеют форсировку 106лс а значит посчитаем тепловой поток и Т поршня
Тепловой поток в поршень составляет 43950Дж-65922Дж (на 19,1% больше 21124) при 106ЛС
Соответственно градиент температур будет 43950Дж/253Дж/К — 65922Дж/253Дж/К = 173-260К(С)
Для 21127/21129 мы будем иметь температуры поршней от 100С+173С=273С до 100С+260С=360С
В реальности ситуация будет ЕЩЕ плачевнее. Ситуация в современных ДВС отражена ниже.
Теперь понятно почему плавятся поршни ДВС при почти любом чип-тюнинхе?
Поршни ВАГ и БМВ, а порой и МВ плавятся и без чипов — расчет был ВПРИТЫК.
Почему ВАЗ 21127 21129 не стали форсировать выше 106ЛС с завода. Запас лишь 15%.
ВАЗ-21124 с форсировкой 89ЛС по диаграммам температуры 200-250С
ВАЗ-21126 с форсировкой 98ЛС по расчетам получается от 261С до 340С
ВАЗ-21127/21129 с форсировкой 106ЛС по расчетам уже от 273С до 360С
Температурное самоубийство: зачем современные моторы обречены на перегрев
Кипящий антифриз в радиаторе, пар, стрелка температуры в красной зоне — симптомы перегрева мотора и его последствия в виде покоробленной ГБЦ мы вроде бы все отлично знаем. Причины тоже давно известны — засорение системы охлаждения, «мёртвый» термостат. Но так было 20 лет назад. Сегодня современные моторы обречены своими создателями на постоянную работу на грани перегрева, причём водитель, как правило, об этом узнаёт, когда уже слишком поздно. Сегодня разбираемся, как так получилось, и что такое «штатный перегрев».
Про рабочую температуру
У каждого мотора есть рабочая температура, и только при её достижении он работает правильно. После «прогрева» начинает максимально эффективно работать система управления впрыском, система смазки, система ГРМ и остальные подсистемы мотора.
Какой должна быть рабочая температура? Обычно она находится в узком диапазоне от 75 до 105 градусов почти для всех конструкций моторов. Правда, в последние годы для достижения маркетинговых показателей экономичности и экологичности моторы всё чаще заставляют работать при повышенных температурах от 115 до 130 градусов.
Это хорошо только для маркетологов, которые год от года отчитываются о том, что машины стали ещё немного быстрее и «чище». На ресурсе моторов повышение рабочей температуры сказывается исключительно негативно, ибо 120 или 130 градусов — это слишком много как для резиновых и пластиковых элементов навесного оборудования, так и для состояния поршневой группы.
Эрудированный читатель заметит, что 120-130 градусов — это температура холостых оборотов, а на ходу она обычно снижается до приемлемых 85-90. Что, безусловно, облегчает жизнь двигателю, но до поры до времени.
Конкретнее в проблеме разберёмся чуть ниже, а пока изучим, как охлаждаются современные моторы (спойлер: совсем не так, как ваш первый заднеприводный или переднеприводный ВАЗ).
Как работают современные системы охлаждения?
Они устроены значительно сложнее, чем те, с которыми знакомят на уроках в автошколе. Так, у всех ныне продающихся новых машин используется система охлаждения с несколькими скоростями вращения вентиляторов обдува радиатора или даже несколько вентиляторов с несколькими режимами работы. И управляется система не простыми термовыключателями, а через электронный блок управления, в зависимости от скорости, нагрузки, режима работы климатической установки и многих других факторов.
Почти на всех машинах используется регулируемый термостат, имеющий два диапазона работы за счет нагревательного элемента. На некоторых машинах термостата вообще нет — он заменен на модуль золотниковых клапанов с электронным управлением. На многих премиальных машинах стоит «воздушный термостат» — жалюзи с электроприводом, улучшающие аэродинамику машины на высоких скоростях.
Что касается водяных насосов, то простая помпа с приводом от коленчатого вала пока лидирует по распространенности, но есть конструкции с регулируемым приводом или даже с электроприводом помпы.
Столь важную, и к тому же сложную систему необходимо контролировать. У большинства автомобилей есть контрольная лампа температуры, срабатывающая при перегреве, и
указатель температуры двигателя. Почти все автовладельцы считают достаточным условием отсутствия перегрева нахождение стрелки указателя в допустимой зоне, обычно «зеленой» или «желтой», и отсутствие сигнала аварийной системы о перегреве или нехватке антифриза.
Но система контроля тоже управляется электроникой, и старается «не напрягать» автовладельца «лишней» информацией о работе машины. Так, почти всегда стрелочный индикатор и даже цифровые указатели температуры не отражают истинных показателей.
Стрелка будет показывать те же «примерно 90» и при температуре 85, и при температуре 125. В процессе работы машины стрелка может мертво стоять на месте, хотя мотор при работе в пробках будет прогреваться значительно сильнее, чем при движении по трассе. И лишь при настоящем перегреве, обычно при повышении температур до 130-150 градусов стрелка сдвинется с места, перед самым срабатыванием аварийного индикатора.
Единственным надежным способом контроля остается проверка рабочей температуры с помощью сканеров, через OBD-II интерфейс или иной способ доступа к служебной информации блока управления двигателем.
Что такое «штатный перегрев»
Как вы уже поняли, «штатная» работа системы охлаждения сейчас — понятие весьма условное. Даже при отсутствии мигающих красных индикаторов на приборной панели температура может быть уже далека от оптимальной. Например, бензиновые моторы BMW настроены на работу при температурах 115-125 градусов, а реальная рабочая температура может быть еще выше, причём без всяких ошибок.
Да и у куда более простых Opel и VW моторы вполне штатно прогреваются до 115-120 градусов. От таких температур уже недалеко до «настоящего» перегрева, ведь системы охлаждения постоянно находятся под давлением и работают на пределе. Малейшее изменение параметров или утеря герметичности сразу приведут к более серьезной поломке.
У современных машин случается такая неисправность, как «нормальный перегрев». Это когда система управления не может снизить температуру двигателя до оптимальной для данного режима движения, несмотря на задействование всех возможностей, но при этом температура все же меньше «аварийной», когда сработает аварийный датчик и система охлаждения не выдержит давления.
В некоторых случаях происходит локальное повышение температуры части мотора выше конструктивного максимума. Несмотря на кажущуюся «несерьезность» подобной неисправности, она, тем не менее, быстро разрушает двигатель, а водитель машины может даже не догадываться о причине всех неприятностей.
Большая часть автомобилей с регулируемой системой охлаждения возрастом более трех лет в той или иной степени подвержена подобному дефекту. При этом заметить отклонения в работе двигателя непрофессионалу сложно. Ведь индикатор температуры твердо указывает «норму», а то, что машина едет чуть хуже, что кондиционер хуже холодит, что расход топлива растет и понемногу расходуется масло, большая часть водителей не заметит.
Кстати, визит в сервис тут, скорее всего, не поможет, ведь в логах ошибок, скорее всего, будет пусто. А вот расхождение между желаемой и реальной рабочей температурой тем временем составляет до 30-40 градусов. Подобного рода проблемы просто заложены в конструкции современных европейских авто. Ради уже упомянутых выше показателей экологичности и экономичности на холостом ходу они «обязаны» разогреваться до 120-130 градусов. Это слишком много для работы под нагрузкой, а вот для стояния на месте в пробке — вполне допустимо. Но вот вы трогаетесь с места, да ещё желаете «прохватить». Моментально скинуть температуру до оптимальных «ходовых» 85-90 градусов невозможно, так что мотор какое-то время будет крутиться при весьма опасных температурах.
Как следствие — детонация, повреждения поршней и выкрашивание покрытий гильз цилиндров на «цельноалюминиевых» моторах. А еще пониженное давление масла, а значит задиры и прихваты. Да и температура поршня и поршневых колец под нагрузкой резко растет, а масло коксуется. А с возрастом проблема разрастается, ведь из-за грязных радиаторов, проскальзывания ремней помпы, ухудшения теплопередачи от стенок ГБЦ, старения вентиляторов системы охлаждения и просадок напряжения рабочая температура двигателя постепенно перестает снижаться с «холостых» 130 до «ходовых» 90 даже при длительной работе под нагрузкой.
Таким образом «максимальная рабочая» температура становится просто «рабочей», и аварийный режим работы становится штатным для двигателя, со всеми вытекающими из этого последствиями.
Особенно плохо приходится машинам, которые много времени проводят в пробках. Их система охлаждения большую часть времени работает в самом высокотемпературном режиме, и моторы такого обычно долго не выдерживают. Через несколько лет машина превращается в инвалида. С двигателем, уверенно расходующим литры масла, с неработающими катализаторами и половиной мощности от штатной. Да и коробкам-«автоматам» достается не меньше, ведь они обычно охлаждаются через теплообменник, а значит, температура масла в них еще выше, чем температура в системе охлаждения двигателя.
Нештатный перегрев и гибель мотора
«Классический» перегрев с клубами пара из-под капота, клинящим двигателем и другими фатальными последствиями хоть и является зачастую кульминацией такого вот «нормального перегрева», но встречается намного реже.
Если вовремя остановить двигатель, то, скорее всего, серьезных проблем получится избежать. В противном случае можно уже начинать выбирать между «контрактным» двигателем, ремонтом остатков старого или покупкой нового. Ведь коробление ГБЦ, нарушение геометрии блока цилиндров и нарушение резьбы болтов ГБЦ, задиры вкладышей и поршней — это лишь малая часть неисправностей, возникающих при сильном перегреве и утере антифриза.
Номинальной причиной подобной беды обычно является утечка жидкости из системы охлаждения. После чего растет температура различных узлов двигателя и температурный градиент между различными его элементами, вызывая поломки «железа».
Истинные же причины обычно кроются в «нормальном перегреве» на протяжении длительного времени, старении материалов системы охлаждения, постепенной деградации возможностей радиатора, поломке помпы или ее привода. К счастью для многих автовладельцев, серьезные неисправности проявляют себя заранее, например, на очередном ТО, или срабатыванием датчиков уровня антифриза перед появлением сильной течи системы охлаждения и срабатывающей лампочкой аварийного перегрева под нагрузкой.
И что же делать?
Если у вас современный автомобиль, пробег которого уже перевалил хотя бы за 50 000, но вы собираетесь проездить на нём ещё долго и счастливо (а может вообще купили бэушный вариант с пробегом 100+), то вам пригодятся советы, как избавить машину от штатного перегрева.
В следующей части статьи мы расскажем про оптимальный режим езды и некоторые конструктивные доработки двигателя, которые помогут избежать перегревов и исключительно положительно скажутся на его ресурсе.
Заговор производителей: современные моторы обречены на перегрев
В девяностые и нулевые на наших дорогах часто можно было наблюдать автомобили с перегревшимся двигателем. Их было видно издалека по клубам пара из-под капота. В основном это были немолодые отечественные машины, а причина перегрева часто крылась в некачественных комплектующих: некондиционные термостаты, насосы охлаждающей жидкости, дефектные шланги и радиаторы. Двигатели теряли охлаждающую жидкость и закипали.
Современные автомобили куда надежнее, но и сложнее конструктивно. Перегрев в привычном понимании этого слова случается реже, но настолько внезапно, что водитель не успевает среагировать и что-либо предпринять, а последствия перегрева для мотора зачастую фатальны. Да и в целом нынешние моторы куда «горячее» предшественников.
Какая температура двигателя нормальная?
А что же нам показывает штатный указатель температуры? Начнем с того, что у части машин его просто нет. Таковы некоторые комплектации Kia Rio прошлого поколения, Nissan Note, Honda Jazz, Lada Granta первых годов выпуска и другие. Присутствует лишь индикатор перегрева, срабатывающий, как правило, слишком поздно. У других автомобилей очень условные индикаторы в виде «кирпичиков», управляемые бортовым компьютером. Информативность у таких указателей низкая. Например, у Лады Ларгус, будь температура антифриза 80°C или 105°C, на дисплее четыре «кирпичика».
Почему мотор греется?
- В пробках, которые стали неотъемлемой частью нашей жизни, температура двигателя достигает 115-125°С.
Производители борются со слишком высокой рабочей температурой двигателя. Применяют форсунки охлаждения поршней маслом. Устанавливают теплообменники, через которые циркулируют и охлаждающая жидкость, и моторное масло. На начальном этапе прогрева температура антифриза растет быстрее и он нагревает масло. А при больших нагрузках полностью прогретого мотора масло охлаждается от более холодного антифриза. Без такого теплообменника масло охлаждалось бы лишь за счет обдува поддона двигателя, а этого зачастую недостаточно.
В чем опасность?
На все автомобили стали ставить очень тонкие, облегченные радиаторы. Теплоотдача их достаточна, пока все работает в штатном режиме, но как только радиатор засорится, он не сможет долго сдерживать температуру мотора в рабочем диапазоне. Все потому, что системы охлаждения современных моторов разработчики стараются сделать максимально эффективными, без какого-либо запаса. Раньше на 75-сильный движок приходилось порядка 10 литров тосола, а сейчас в 150-сильный мотор заливают чуть больше 5 литров. Например, в Ниву с карбюраторным мотором входило 10,7 л, а кроссоверу Hyundai Creta c 2-литровым мотором в систему заливают 5,7 л антифриза.
Чем меньше объем охлаждающей жидкости, тем быстрее изменится температура в системе. В случае какой-либо неисправности закипит сразу же.
А если капитально перегрел?
Если указатель температуры двигателя оказался в красной зоне, которая начинается после 120-125 °С, может случиться следующие:
- Задиры цилиндров. У современных моторов зазоры в паре поршень-цилиндр малы, а при перегреве обращаются в ноль и начинаются задиры. Ну а дальше последуют снижение показателей двигателя, прогрессирующий износ, масложор.
- Деградация масла. В условиях перегрева моторное масло теряет часть свойств, быстрее угорает, что может привести к масляному голоданию.
- Выход из строя резиновых и пластмассовых деталей двигателя. Быстрее дубеют сальники, что может вызывать повышенный расход масла; стареют пластмассовые детали мотора, что может вызвать их механическое разрушение.
- Выход из строя каталитического нейтрализатора. У перегретого двигателя растет и температура отработавших газов. Возможно оплавление керамических сот. Для предотвращения нужны более высококачественные материалы нейтрализаторов, а производители в стремлении сэкономить, напротив, применяют все более доступные и недолговечные конструкции.
Что может владелец?
- Следить за чистотой радиаторов. Это, пожалуй, самый действенный способ предотвратить перегрев. Мыть радиаторы следует не реже одного раза в год.
- Замена ОЖ не реже чем раз в 60 000 км. Конечно, это не столь важно с точки зрения теплообмена, но продлит срок службы узлов системы охлаждения.
- Некоторые производители автокомпонентов выпускают термостаты с разной температурой открытия. Например, для широко распространенного мотора К4М Renault есть термостаты на 82°С, а есть на 86°С. И разница, поверьте, очень заметна. Для автомобилей с очень напряженным тепловым режимом лучше подобрать термостат с более низкой рабочей температурой.
- Рекомендую установить точный цифровой термометр. Для машин без штатного прибора это обязательно. Можно использовать программу для смартфона в сочетании с прибором ELM 327, можно поставить отдельный прибор.
И еще в сильную жару можно скорректировать стиль езды для снижения теплонапряженности двигателя. Разгоняйтесь спокойнее, и температура не превысит расчетных значений. Если у вас механическая коробка передач, то чаще применяйте прием «торможения двигателем». При этом сгорание топливовоздушной смеси в моторе не происходит, а помпа продолжает интенсивно прокачивать охлаждающую жидкость. Так что температура двигателя снижается.
Более высокая рабочая температура современных двигателей обусловлена конструктивными особенностями, которые появились за последнее время. Как следствие, современный мотор легче перегреть. Это факт. Поэтому больше внимания следует уделять техническому обслуживанию машины, чтобы не допустить беды. Читай – дополнительных трат на ремонт или замену двигателя.
Есть ли в этом заговор автопроизводителей? Зависит от вашего мировоззрения.
До какой температуры нагревается поршень двигателя
Москва 8 800 101 6229
Киев +38 096 163 2183
E-mail: написать 
(Статья во Всеукраинском научно-техническом журнале «Двигатели внутреннего сгорания» №2/2015 и доклад на ХХ Международном Конгрессе двигателестроителей в Коблево, Украина 05-10 сентября 2015г.)
Краткая аннотация
Приведен общий подход при экспертном исследовании причин поломок деталей при перегреве бензиновых ДВС с искровым зажиганием, в том числе, дана методика анализа возможных причин перегрева на соответствие признакам, имеющимся на деталях. Выполнены инженерные расчеты теплового состояния деталей при нарушении охлаждения, показана эффективность применение простых инженерных методов для количественной оценки степени повреждения деталей с целью установления причины перегрева. Даны примеры практического использования методики при исследовании причин поломок ДВС при перегреве в эксплуатации, получены рекомендации по выбору конструктивной схемы системы охлаждения ДВС. .
Постановка проблемы
Известно, что различные повреждения и отказы могут возникнуть в различных системах и узлах на всех этапах эксплуатации ДВС [1, 2, 3]. При этом неисправности в системе охлаждения проявляются исключительно часто в виде серьезного нарушения температурного режима ДВС – перегрева, и влекут за собой весьма тяжелые последствия для двигателя вплоть до полного выхода из строя и неремонтопригодности [1, 9, 10,].
Особое место перегрев двигателя как вид неисправности занимает в экпертных исследованиях. Несмотря на вполне понятные признаки перегрева, определение причины неисправности двигателя, сопровождаемой перегревом, в целом ряде случаев затруднено влиянием «человеческого фактора», когда не вполне понятно, мог ли водитель видеть повышение температуры охлаждающей жидкости (ОЖ) на указателе панели приборов, чтобы своевременно принять все необходимые меры для предотвращения поломки (у некоторых автомобилей стрелочного указателя температуры вообще нет – есть только контрольная лампа перегрева).
Вместе с тем некоторые конструктивные особенности систем охлаждения различных ДВС могут быть причиной неоднозначности тех или иных признаков неисправности. Поэтому помимо характерных признаков перегрева при экспертных исследованиях его причины требуется установление дополнительных закономерностей, помогающих в установлении истинной причины неисправности.
Цель работы
Установить закономерности изменения по времени теплового состояния стенок камеры сгорания и днища поршня ДВС, а также датчика температуры, при аварийной потере охлаждающей жидкости из системы охлаждения.
Особенности перегрева двигателей с системами охлаждения традиционного типа.
В эксплуатации автомобилей встречаются различные и весьма многочисленные причины перегрева двигателей [1, 9, 10, 11], которые условно можно разбить на 3 группы:
1) неисправности, вызывающие нарушение циркуляции ОЖ в системе (в том числе, неисправности термостата, насоса, загрязнение радиатора изнутри),
2) неисправности агрегатов, нарушающие отвод теплоты из системы (в том числе, неисправности датчиков, вентилятора, загрязнение радиатора снаружи),
3) утечки ОЖ из системы (в том числе, вследствие негерметичности от повреждения хомутов, шлангов, радиатора и т.д.).
Первые две группы причин имеют общий признак – нормальное количество ОЖ на момент начала повышения температуры в системе. В этом случае, что совершенно очевидно, момент наступления перегрева двигателя, а также его развитие во времени легко контролируются с помощью указателя температуры на панели приборов автомобиля, причем указатель покажет отклонение температуры от нормы при любой неисправности, входящей в указанные группы.
Напротив, 3-я группа представляет собой аварийный случай, когда из системы уходит рабочая жидкость. Это может существенно изменить режим работы системы вплоть до такого состояния, когда обычные методы контроля неприменимы.
Фактически речь идет о перегреве, имеющем специфический характер, где специфика условий определяется, в 1-ю очередь, сочетанием чрезвычайно высокой температуры тех деталей, у которых утрачен контакт с ОЖ, со сравнительно более низкой температурой деталей, где такой контакт не нарушался. В случае, если датчик температуры оказывается вне жидкости из-за сильного падения ее уровня в системе, можно ожидать существенного расхождения измеренной и действительной температуры в системе, что также может стать причиной тяжелых повреждений.
Для того, чтобы выявить закономерности изменения температуры в системе при таких авариях, необходимо вначале рассмотреть конструктивные особенности систем охлаждения современных автомобильных бензиновых ДВС.
Особенности конструкции систем охлаждения двигателей исследуемого типа.
Согласно опыту эксплуатации и ремонта большого числа автомобильных двигателей, наибольшее распространение в конструкции двигателей легковых автомобилей получила система охлаждения [1, 5, 9], которая характеризуется следующими главными признаками и отличительными особенностями:
- система охлаждения герметичная, с принудительной циркуляцией и расширительным бачком открытого типа,
- включает в себя термостат с перепускным клапаном, который поддерживает установленную рабочую температуру ОЖ,
- наличие малого (снаружи или внутри двигателя, с помощью байпассного канала от выхода из головки до входа в насос) и большого (через радиатор) кругов циркуляции ОЖ, управляемых с помощью термостата,
- насос ОЖ с приводом от коленчатого вала двигателя,
- вентилятор (один или несколько) для принудительного обдува радиатора в случае превышения температурой максимального заданного значения, управление включением вентилятора от электронного блока управления двигателем по сигналу датчика температуры радиатора.
Поскольку система охлаждения данного типа (рис.1) применяется в настоящее время на большинстве двигателей выпускаемых серийно легковых автомобилей, условно она может быть названа системой охлаждения традиционного типа.
Помимо этого, на многих современных двигателях находят широкое применение конструктивные решения в части отдельных элементов системы, в том числе:
- одноходовой термостат, открывающий большой круг циркуляции при постоянно открытом малом круге, что упрощает систему охлаждения и повышает надежность ее работы,
- датчик температуры, установленный в канале на выходе из головки блока цилиндров, где температура ОЖ максимальна,
При возникновении неисправностей в традиционной системе охлаждения, таких как повреждения и/или отказы (поломки) насоса, вентилятора, термостата, прокладки ГБЦ (головки блока цилиндров) и т.д., происходит нарушение работы системы, что неизбежно приводит к повышению температуры ОЖ, регистрируемое датчиком температуры на выходе из головки блока цилиндров. Это позволяет своевременно обнаружить перегрев и предупредить его последствия.
При неисправностях, связанных с негерметичностью системы и внешней утечкой жидкости, в системе охлаждения обычно падает давление [1, 10, 11], что вызывает опасное для двигателя локальное кипение ОЖ на сильно нагретых поверхностях. Для подобных случаев в любой традиционной системе охлаждения предусмотрен визуальный контроль уровня жидкости в расширительном бачке системы.
Процесс перегрева двигателя и его влияние на повреждения деталей механической части.
Во время работы двигателя при перегреве происходит нагрев ОЖ по той или иной причине до температуры кипения. При этом кипение начинается локально в рубашке охлаждения в зонах с наиболее нагретыми деталями – обычно это стенки камеры сгорания, выпускные каналы в ГБЦ. Далее кипение распространяется по объему жидкости – по мере разогрева деталей и самой жидкости. Фактически кипение жидкости создает паровую подушку между нагреваемой газами стенкой и ОЖ, препятствующую процессу отвода теплоты от стенок в жидкость.
Анализ имеющихся данных [9, 10] позволяет указать основные признаки сильного и/или длительного перегрев двигателя в эксплуатации (в порядке увеличения интенсивности и длительности):
1. Ослабление болтов ГБЦ.
2. Деформация плоскости ГБЦ.
3. Пластическая деформация прокладки ГБЦ, потеря герметичности, прорыв газов через нее.
4. Загрязнение расширительного бачка маслом и нагаром, запах отработавших газов, разбрызгивание ОЖ в подкапотном пространстве.
5. Деформация цилиндров.
6. Задиры на поршнях в верхней части огневого пояса вследствие термического расширения днища и заклинивания поршня в цилиндре.
7. Блокирование колец в канавках поршней вследствие задиров на поршне и цилиндрах от перегрева поршней.
8. Задиры на краях юбок поршней от чрезмерного теплового расширения поршня, следы перегрева на внутренней поверхности поршней.
9. Задиры в средней части цилиндров от юбки поршней.
10. Плавление стенок ГБЦ у седел выпускных клапанов.
11. Плавление верхней части поршня из-за нарушения охлаждения.
12. Задиры на поршнях в верхней части огневого пояса вследствие попадания расплавленных частиц материала ГБЦ в зазор между поршнями и цилиндрами.
13. Прочие признаки, в том числе, оплавление наконечников свечей зажигания, датчиков, впускного коллектора и других элементов, закрепленных на ГБЦ.
Как показывает практика, в эксплуатации могут наблюдаться не все, а только некоторые признаки из указанных – в зависимости от интенсивности перегрева. Это позволяет определить особенности развития перегрева при возникновении неисправности, а также действительное состояние конкретного ДВС в эксплуатации до этого момента.
Аварийный режим работы системы охлаждения с малым количеством ОЖ в системе существенно отличается от «обычного» перегрева при наличии ОЖ. Одним из главных отличий является зависимость температурного состояния деталей от времени работы в условиях нестационарного нагрева от горячих газов при нарушенном охлаждении.
Для того, чтобы установить взаимосвязь указанных процессов, необходимо оценить время их развития. Для этого необходимо найти решение задачи нестационарного теплообмена для стенки головки блока цилиндров и поршня в цилиндре, у которых произошло нарушение охлаждения.
Нестационарный нагрев стенки камеры сгорания при нарушении охлаждения.
Решение задачи о времени процесса нагрева стенки камеры сгорания сводится к следующему. Имеется элемент стенки камеры сгорания, омываемый снаружи ОЖ, а изнутри – горячими газами (рис.2). При работе двигателя устанавливается тепловое равновесие, когда количество теплоты, отданное газом в стенку, равно количеству теплоты, отданной стенкой в жидкость. В этом случае температура стенки будет неизменной по времени.
Чтобы определить эту температуру, сделаем следующие упрощающие допущения:
- температура газов Tг постоянна и равна средней температуре в камере сгорания – 1400К (1137 0 С),
- температура жидкости Tв постоянна и равна 373К (100 0 С),
- толщина стенки δ камеры сгорания – 10 мм,
- теплообмена вдоль стенки камеры нет, тепловой поток идет строго перпендикулярно стенке,
- частота вращения коленчатого вала n = 3000 об/мин.
Согласно сделанным допущениям, площадь стенки, через которую проходит тепловой поток, одинакова снаружи и внутри. Тогда имеем следующие соотношения для удельного теплового потока q, равного количеству отводимой теплоты, отнесенной к площади сечения стенки – для теплообмена внутри и снаружи [7]:
где: αг – коэффициент теплоотдачи от газа к стенке, Tст1 – температура стенки со стороны газа, Tст2 – температура стенки со стороны ОЖ, λ – коэффициент теплопроводности стенки (200 Вт/м•К для алюминия), αв – коэффициент теплоотдачи от стенки в жидкость.
Формула для теплового потока через стенку может быть также записана в общем виде – как удельный тепловой поток от газа в жидкость с учетом теплопроводности стенки [7]:
Коэффициент теплоотдачи газа в ДВС может быть приближенно рассчитан по формуле Эйхельберга [4]:
где Cm – средняя скорость поршня, м/с (Cm = S•n/30), pг – среднеэффективное давление, МПа (для средних режимов pг = 0,4 МПа), S – ход поршня (ориентировочно примем S = 0,09 м), откуда приближенно αг = 1,25•10 3 Вт/м 2 •К.
Согласно [6] коэффициент теплоотдачи для воды в рубашке охлаждения ДВС может быть приближенно принят равным αв = 104 Вт/м 2 •К. Подставляя указанные значения в формулу (1), получим приближенно q = 1,08•10 6 Вт/м 2 , откуда:
Теперь предположим, что при работе на установившемся режиме охлаждение стенки внезапно исчезло в результате нарушения подачи ОЖ (отводом теплоты с паром в 1-м приближении пренебрегаем). Для этого случая воспользуемся уравнением теплового баланса, записанным для выделенного элемента стенки [8]:
q F dτ = C M dT , (2)
где q – удельный тепловой поток от газа в стенку, F – площадь поверхности элемента стенки, C – удельная теплоемкость металла, M – масса элемента стенки, dτ – отрезок времени, за который температура стенки повышается на величину dT.
Уравнение (2) показывает рост внутренней энергии элемента стенки при подводе теплоты в течение заданного промежутка времени и отсутствии охлаждения.
получим уравнение, связывающее приращение температуры стенки с интервалом времени:
Выражение (3) легко интегрируется в заданном отрезке времени как аналитически, так и численно, с начальным значением температуры Tст10, соответствующим нормальному режиму охлаждения. Для приближенной оценки численное интегрирование с шагом времени 1 сек, учитывая, что C = 1000 Дж/кг•К, масса элемента стенки размером 10х10 мм при толщине 10 мм M = 0,0027 кг, а площадь поверхности стенки F = 0,0001 м2, дает следующие данные (табл.1):
Табл. 1. Данные расчета температуры стенки.
| Время с момента прекращения охлаждения стенки головки цилиндров, сек |
Температура стенки, К |
Температура стенки, 0 С |
| 0 | 535 | 262 |
| 1 | 576 | 303 |
| 2 | 606 | 333 |
| 3 | 644 | 371 |
| . | . | . |
| 11 | 895 | 622 |
| 12 | Плавление | Плавление |
Таким образом, в случае внезапного и полного нарушения охлаждения через 12 сек работы двигателя стенка камеры начнет плавиться. Особенно опасным в этом случае будет участок камеры сгорания, расположенный между седлами выпускных клапанов, поскольку этот участок небольшой, но нагревается горячими газами сразу с 3-х сторон (камера сгорания и выпускные каналы), в то время как охлаждение подводится только с одной стороны. Поскольку при расчете не были учтены все влияющие факторы (теплопроводность вдоль стенки, отвод теплоты от стенки в пар и др.), возможно, что реальное время процесса будет несколько больше, но в любом случае время до плавления стенки ГБЦ при отсутствии ее охлаждения будет исчисляться секундами.
Нестационарный нагрев поршня в цилиндре при нарушении охлаждения.
Сравним полученное время со временем, в течение которого будет нагреваться поршень в цилиндре при сгорании топливовоздушной смеси и охлаждении, главным образом, путем передачи теплоты через поршневые кольца в стенку цилиндра и далее в ОЖ [1, 5].
Чтобы приблизительно оценить время нагрева поршня до критической температуры, при которой в цилиндре возникают задиры, необходимо сделать следующие замечания и упрощающие допущения:
- поршень нагрет при работе двигателя до некоей средней температуры,
- передача теплоты от поршня идет только через поршневые кольца,
- при нарушении жидкостного охлаждения цилиндра передача теплоты между поршнем и цилиндром происходит мгновенно, температура поршня равна температуре гильзы,
- охлаждение стенки цилиндра паром пренебрежимо мало,
- теплопроводность вдоль стенок не учитывается, теплота передается только в направлении поперек стенок.
Как известно [1, 5], повышение температуры поршня вызывает его расширение в цилиндре. В большинстве современных двигателей цилиндр образован тонкой чугунной гильзой, залитой в алюминиевую стенку. Зазор между поршнем и цилиндром в зоне огневого пояса поршня при нормальной температуре T0 = 20 0 С обычно равен 0,50 мм. В случае нагрева поршня до температуры T1 его термическое расширение Δ будет выше, чем у гильзы, в соответствии с известной формулой:
где αa – коэффициент температурного расширения алюминиевого сплава (αa = 20•10 -6 1/град).
Отсюда следует, что диаметр поршня D при температуре T1:
где D0 — начальный диаметр поршня при температуре T0.
Расширение чугунной гильзы цилиндра при нагреве будет описываться аналогичной формулой (αч = 10•10 -6 1/град):
откуда диаметр гильзы Dг при температуре T1
где D0г — начальный диаметр гильзы при температуре T0.
В случае, если диаметр поршня станет равным диаметру гильзы, возникнет задир. При этом:
Подставляя в выражение (4) диаметр верхней части поршня D0 = 0,09 м, начальный зазор δ0 = D0г — D0 = 0,5 мм и начальную температуру T0 = 293К, получим максимальную температуру поршня в цилиндре, при которой начинаются задиры T1 = 848К или t1 = 575 0 C.
Нормальная температура поршня при работе двигателя меняется по сечению – от 300-350 0 С в середине днища до 120-150 0 С в нижнем сечении юбки [1, 5]. Для простоты примем среднюю температуру поршня, близкую к температуре днища (поскольку мы исследуем именно эту часть поршня) Tп = 300 0 С. Тогда для того, чтобы в цилиндре был задир, поршень должен нагреться при отсутствии охлаждения цилиндра на 284 0 С. Однако в действительности такая температура чрезмерно высока, и задир обычно происходит уже при нагреве на 150-180 0 С, поскольку касание цилиндра на перекладках в мертвых точках и трение в цилиндре при таком нагреве значительно возрастают. Поэтому в 1-м приближении критический нагрев поршня следует выбрать около 150 0 С.
Для поршня в цилиндре может быть применено выражение, аналогичное (3):
Здесь требуется уточнение для массы – приближенно полагаем, что в процессе участвует только относительно толстая верхняя часть (50% массы) поршня и часть гильзы цилиндра в пределах хода поршня. Тогда при толщине стенки цилиндра 0,01 м и длине 0,1 м (толщиной чугунной гильзы в 1-м приближении пренебрегаем), а также ориентировочной массе поршня 0,350 кг приблизительно масса M = 1 кг, а площадь поршня Fп = 0,00636 м 2 . Коэффициент теплоотдачи αг рассчитывается аналогично тому, как это сделано выше для камеры сгорания.
Результаты расчета нагрева поршня при нарушении охлаждения цилиндра представлены в табл.2:
Табл. 2. Данные расчета температуры поршня.
| Время с момента прекращения охлаждения цилиндра, сек | Температура поршня, К |
Температура поршня, 0 С |
| 0 | 573 | 300 |
| 1 | 579 | 306 |
| 2 | 585 | 312 |
| … | … | … |
| 24 | 717 | 444 |
| 25 | Задир | Задир |
Таким образом, при аварийном нарушении охлаждения в результате быстрого вытекания ОЖ из системы поршни получат повреждения как минимум через вдвое большее время, чем будет повреждена стенка камеры сгорания.
Особенности работы системы охлаждения с низким уровнем ОЖ.
Для анализа работы системы охлаждения с низким уровнем ОЖ необходимо учесть, что значительная потеря жидкости приводит к сильному понижению ее уровня во всей системе охлаждения – строго по закону сообщающихся сосудов (рис.1), где двигатель и радиатор могут быть представлены, как 2 сосуда, соединенные нижним патрубком системы.
Очевидно, при снижении уровня ОЖ будут оголены (т.е. останутся без жидкости, либо ее подача не будет непрерывной) элементы системы, расположенные в верхних точках системы. Согласно схеме традиционной системы охлаждения, на ее верхнем уровне находятся патрубки выхода из ГБЦ на радиатор и на отопитель салона. Поэтому 1-м внешним признаком падения уровня ОЖ стало бы выключение отопителя [1, 10], хорошо заметное в холодное время года.
Одновременно с этим циркуляция жидкости в байпассном канале между ГБЦ и блоком продолжается, поскольку этот канал расположен ниже выходных патрубков ГБЦ. Это означает, что в системе охлаждения на режимах с небольшой подачей насоса (на малых и средних оборотах) основная часть жидкости будет циркулировать по малому кругу циркуляции, поскольку при низком уровне ОЖ поступление жидкости в верхнюю часть системы возможно только при большой подаче насоса, т.е. на высоких оборотах.
В таком состоянии системы и на таком режиме работы радиатор будет практически выключен из работы, как только уровень жидкости в системе станет ниже определенной критической величины. Для точного определения этой величины нужны специальные экспериментальные исследования, но обычно потеря 2-2,5 л уже будет критической потерей для системы – при условии работы двигателя на малых и средних оборотах.
Характерно, что при нарушении или отсутствии течения ОЖ через выходной патрубок ГБЦ чувствительная часть датчика температуры, расположенного на стенке выходного патрубка, фактически будет оголена, т.е. может возникнуть существенный разрыв между действительной и регистрируемой датчиком температурой.
Оценка работы датчика температуры при быстрой потере ОЖ.
Для того, чтобы оценить работу датчика, необходимо описать процесс теплообмена датчика при обтекании его жидкостью (при нормальной работе системы) и паром (при перегреве двигателя).
Поскольку чувствительная часть датчика представляет собой цилиндр, установленный поперек потока, теплообмен цилиндра с потоком описывается эмпирической формулой [7]:
Nu = 1,14 C Re m Pr 0,4 , (6)
где: Nu – критерий (число) Нуссельта, показывающий, насколько интенсивность переноса теплоты при течении жидкости больше переноса теплоты теплопроводностью, и пропорциональный коэффициенту теплоотдачи α (Nu = α d/λ), d – диаметр чувствительной части датчика (d = 0,006 м), λ – коэффициент теплопроводности среды (для жидкости λ = 0,69 Вт/м•К, для пара λ = 0,022 Вт/м•К), Re – число Рейнольдса (Re= v d/ν), v – скорость среды (принято v = 1 м/с), ν – коэффициент кинематической вязкости (для жидкости ν = 0,240•10 -6 м 2 /с, для пара ν = 12•10 -6 м 2 /с), Pr – число Прандтля (для жидкости Pr = 2, для пара Pr = 0,72), C, m — эмпирические коэффициенты (С = 0,023, m = 0,8 для жидкости и С = 0,695, m = 0,4 для пара).
Подставляя все величины в формулу (6), получим значение коэффициента теплоотдачи для случая обтекания датчика жидкостью и паром: для жидкости αв = 1,3•10 4 Вт/м 2 К, для пара αп = 31 Вт/м 2 К.
Для оценки инерционности датчика температуры допустим в 1-м приближении, что датчик прогревается только от жидкости (пара), а теплопроводность между стенкой и датчиком отсутствует. Это допущение справедливо при быстром протекании процесса перегрева, когда стенка не успевает нагреться за счет теплопроводности от более горячих участков ГБЦ. Тогда для расчета изменения температуры датчика используем уравнение (3):
где: f=πdl – площадь поверхности чувствительной части датчика (при l = 0,02 м и d = 0,006 м f = 3,7•10 -4 м 2 ), C — теплоемкость датчика (для латуни C = 400 Дж/кг•К), M – масса чувствительной части датчика (для датчика из латуни M = 0,005 кг), Tд – температура датчика, T – температура среды (жидкость или пар).
Предположим теперь, что температура среды скачком увеличилась на 30 0 , что означает, что в двигателе начался перегрев. Тогда при подстановке всех значений в уравнение (7) получим раздельно для жидкости: dTд =23•dτ, для пара: dTд =0,09•dτ.
Как это следует из полученных результатов, датчик, находясь в жидкости, будет отслеживать ее температуру с задержкой не более 1-2 секунд (повышение температуры датчика в жидкости на 23 0 через 1 сек). В то же время задержка в показаниях датчика температуры для пара будет чрезвычайно большой – приблизительно 0,1 0 в секунду или только 6 0 в минуту.
Этот результат показывает, что при аварийно быстром снижении уровня ОЖ в системе и оголении датчика его инерция возрастает приблизительно в 230 раз, и датчик становиться неспособным отследить повышение температуры, когда все время процесса перегрева при потере жидкости измеряется секундами.
В результате при быстром падении уровня жидкости и прекращении ее циркуляции по большому кругу датчик температуры не будет показывать не только перегрева двигателя, но даже простого повышения температуры.
Сопоставление результатов расчета с опытными данными.
Представляет интерес сравнение полученных результатов с реальными исследованиями причин поломок ДВС в эксплуатации при аварийно быстрой потере ОЖ. Двигатель при такой неисправности выходит из строя от потери компрессии в цилиндрах вследствие значительной деформации привалочных плоскостей и потери герметичности прокладки головки блока цилиндров.
На рис.4. представлена камера сгорания со следами плавления стенки между выпускными седлами, что было результатом вытекания ОЖ через радиатор, поврежденный ударом постороннего предмета.
Такое повреждение возникло при работе двигателя на номинальном режиме (движение автомобиля с высокой скоростью по шоссе) и характеризовалось большой интенсивность разогрева и малым временем до выхода из строя.
При работе на малых оборотах и нагрузках время процесса увеличивается, что вызывает выравнивание температуры стенки камеры, и вместо локального прогара между седлами возникает потеря натяга у седел (рис.5).
Общим для двух рассмотренных случаев является минимальные повреждения цилиндров и поршней – только в верхней части, где за счет температурного расширения днища поршень может заклинивать в цилиндре с характерными следами задиров (рис.6).
Поршень при аварийном перегреве от потери ОЖ также повреждается, главным образом, в области огневого пояса (рис.7), при этом юбка не имеет видимых повреждений.
Указанные практические примеры показывают хорошее качественное совпадение с данными расчетов, а именно, подтверждают полученный теоретически результат – при перегреве от потери ОЖ повреждение камеры сгорания максимально, а поршня минимально.
Анализ действий водителя при возникновении неисправности двигателя.
При исследовании причины неисправности важным является оценка действий водителя – мог ли он вовремя определить, что возникла неисправность, и принять соответствующие меры для исключения выхода двигателя из строя. Так, при возникновении неисправности в системе охлаждения возможные варианты развития событий могут быть следующими:
1) система контроля температуры работала штатно и показывала перегрев, но водитель не замечал ее показаний и продолжал движение.
2) система контроля температуры не работала и/или не показывала перегрев, в результате чего водитель не видел его и также продолжал движение.
Как это следует из полученных выше данных, при аварийно быстрой потере охлаждающей жидкости инерционность датчика температуры становится чрезвычайно большой. При этом температура на указателе может заметно для водителя вырасти только через минуту после полного нарушения работоспособности системы охлаждения, в то время как остановка двигателя вследствие перегрева, деформации ГБЦ и потери компрессии произойдет раньше, чем водитель сможет увидеть повышение температуры.
В связи с этим возникает вопрос о том, какие мероприятия могут быть проведены в дальнейшем на легковых автомобилях с системой охлаждения традиционного типа, чтобы исключить аналогичные ситуации в будущем.
Конструктивные способы предупреждения аварийных ситуаций при быстрой потере охлаждающей жидкости в системах охлаждения традиционного типа.
Как это следует из результатов проведенного исследования, при аварийно быстрой потере жидкости возникают следующие процессы:
1. Нарушение циркуляции ОЖ по большому кругу (через радиатор).
2. Быстрое развитие процесса перегрева, при котором датчик, расположенный в выходном патрубке ГБЦ, не успевает отследить повышение температуры.
Полученные выше данные показывают, что в системах с одноходовым термостатом организовать высокоэффективное охлаждение всех основных узлов можно только при наличии достаточного количества ОЖ. Напротив, при быстрой аварийной потере жидкости и/или при чрезмерно низком ее уровне такая система самопроизвольно переходит в режим циркуляции по малому кругу, что приводит к быстрому и неконтролируемому перегреву двигателя.
Одновременно с этим в системах с одноходовым термостатом при нарушении циркуляции датчик температуры оказывается вне жидкости, если он расположен традиционно – на стенке выходного патрубка ГБЦ на верхнем уровне системы. В результате датчик температуры не может отследить темп повышения температуры основных деталей двигателя, что приводит к выходу двигателя из строя по причине неконтролируемого водителем перегрева.
Исходя из этого, для исключения аварийных ситуаций, связанных с быстрой потерей ОЖ, возможны 3 варианта модернизации традиционной системы охлаждения:
1. Изменение места расположения датчика температуры. Наилучшим с точки зрения объективности контроля температуры при перегреве является расположение датчика на стенке головки блока цилиндров, а не на выходном патрубке.
2. Переход к двухходовому термостату. В прошлом многие модели двигателей имели такие термостаты. При таком типе термостата падение уровня жидкости не приводит к прекращению ее циркуляции по большому кругу, поскольку малый круг перекрыт вторым клапаном термостата (рис.8).
3. Установка датчика уровня ОЖ в радиаторе. Такой датчик имеют некоторые микроавтобусы в связи с трудностью визуального контроля количества ОЖ в системе охлаждения двигателя у транспортных средств данного типа. В этом случае падение уровня сразу будет заметно по сигналу соответствующей контрольной лампы.
Выводы
У ДВС легковых автомобилей с системами охлаждения традиционного типа и одноходовым термостатом быстрое аварийное падение уровня жидкости вызывает прекращение ее циркуляции по большому кругу.
При аварийном нарушении охлаждения в результате быстрой потери охлаждающей жидкости стенки камеры сгорания получают чрезвычайно серьезные повреждения в виде плавления стенок и/или выпадения седел, тогда как поршни получают незначительные термические повреждения и только приблизительно через вдвое большее время от начала разрушения камеры сгорания.
Датчик температуры, установленный на выходном патрубке головки блока цилиндров, при быстрой потере жидкости не показывает по причине инерционности не только перегрева двигателя, но даже простого повышения температуры, вследствие чего водитель не имеет технической возможности видеть повышение температуры в системе вплоть до поломки двигателя в результате перегрева.
Для исключения повреждения двигателя в результате аварийной потери охлаждающей жидкости традиционные системы охлаждения ДВС легковых автомобилей могут быть модернизированы путем переноса датчика температуры на головку блока цилиндров, а также путем применения двухходового термостата и/или установки датчика уровня жидкости в радиаторе.
Список литературы:
1. Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. – М.: Изд-во «За Рулем», 1998. – 480с. 2. Piston damage – recognising and rectifying. 4th Edition. – MSI Motor Service International GmbH, Neckarsulm, Ger¬many, 2014. – 92p. 3. Piston Damage – Causes and Reme¬dies. – MAHLE GmbH, Stuttgart, 1999. – 66p. 4. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. – Под ред. С.Орлина, М.Круглова. М.: Машиностроение, 1983.- 372с. 5. Двигатели внутреннего сгорания. Конструкция поршневых и комбинированных двигателей. – Под ред. С.Орлина, М.Круглова. М.: Машиностроение, 1984.- 384с. 6. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей. – Под ред. С.Орлина, М.Круглова. М.: Машиностроение, 1985. – 456с. 7. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. – М.: Атомиздат, 1979. – 416с. 8. Кошкин В.К. и др. Нестационарный теплообмен. – М: Машиностроение, 1973. – 328с. 9. Хрулев А. «Точка кипения». – «Автомобиль и сервис», №3/2011. 10. Хрулев А. «Если двигатель перегрелся». – «Автомобиль и сервис», №4/1999. 11. Хрулев А. «Холодная „голова“ и пламенное „сердце“». – «Автомобиль и сервис», №2/2002. 12. Хрулев А. «Почему прогорела прокладка?». – «Автомобиль и сервис», №2/2000. 13. Хрулев А. «Почему прогорел поршень?». –»Автомобиль и сервис», №10/2000.