.jpg/1280px-Overhead_cam_engine_with_forced_oil_lubrication_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
Масляный насос — это часть двигателя внутреннего сгорания , которая циркулирует моторное масло под давлением к вращающимся подшипникам, скользящим поршням и распределительному валу двигателя. Это смазывает подшипники, позволяет использовать более производительные жидкостные подшипники , а также способствует охлаждению двигателя.
Помимо своей основной цели — смазки, масло под давлением все чаще используется в качестве гидравлической жидкости для питания небольших приводов . Одним из первых заметных применений в этом смысле было использование гидравлических толкателей в приводе распределительного вала и клапана. Все более распространенные недавние применения могут включать натяжитель ремня ГРМ или вариаторы для систем изменения фаз газораспределения .
Тип используемого насоса может быть разным. Обычно используются шестеренчатые насосы [1] [2], трохоидные насосы [3] и лопастные насосы [a] . Плунжерные насосы использовались в прошлом, но сейчас они используются редко, для небольших двигателей .
Чтобы избежать необходимости в заливке , насос всегда монтируется низко, либо погруженным, либо около уровня масла в поддоне. Короткая заборная труба с простым сетчатым фильтром достигает дна поддона.
Для простоты и надежности используются механические насосы, приводимые в действие механическими зубчатыми передачами от коленчатого вала. Снижение скорости насоса выгодно [b] , поэтому обычно насос приводится в действие кулачком ( если он установлен в блоке цилиндров) или распределительным валом, который вращается с половиной скорости двигателя. Размещение масляного насоса внизу использует почти вертикальный приводной вал, приводимый в действие косозубыми шестернями от распределительного вала. Некоторые двигатели, такие как двигатель Fiat Twin Cam 1964 года, начинались как двигатели OHV с масляным насосом, приводимым в действие обычным распределительным валом в блоке цилиндров . Когда был разработан двигатель с двумя верхними распредвалами, предыдущее расположение масляного насоса было сохранено, а распределительный вал стал укороченным коротким валом. Даже когда положение распределителя было перемещено с предыдущего крепления блока на крепление на распределительных валах головки блока цилиндров, привод масляного насоса оставался в том же положении, неиспользуемое положение распределителя теперь закрывалось заглушкой. [4] Небольшие двигатели или скутеры могут иметь внутренние шестеренные насосы, установленные непосредственно на коленчатом валу.
Для надежности редко используется внешний приводной механизм, либо отдельный ременной привод, либо внешние шестерни, хотя насосы с приводом от распредвала часто используют тот же ремень ГРМ. Дополнительные отдельные ремни иногда используются, когда насосы с сухим картером были добавлены к двигателям во время настройки.
Электрические масляные насосы не используются, опять же для надежности. Некоторые электрические вспомогательные масляные насосы « турботаймер » иногда устанавливаются на двигатели с турбонаддувом . Это второй масляный насос, который продолжает работать после остановки двигателя, подавая охлаждающее масло на горячие подшипники турбокомпрессора в течение нескольких минут, пока он остывает. [c] Это дополнительные насосы, и они не заменяют основной, механический, масляный насос.
Электрический насос в качестве основного насоса двигателя снова потребует больших электродвигателей, и может быть просто дешевле приводить его в действие напрямую от двигателя. Например, масляный насос двигателя BMW S65 подает около 45 л/мин (литров в минуту) масла при давлении 5,5 бар. [5] Для этого насоса потребуется значительно большой двигатель для привода.
Система смазки решает проблему правильной смазки двигателя во время его работы. Правильная смазка двигателя не только снижает трение между движущимися частями, но и является основным методом отвода тепла от поршней, подшипников и валов. Неправильная смазка двигателя приведет к его поломке. Масляный насос прокачивает моторное масло по каналам в двигателе, чтобы правильно распределить масло по различным компонентам двигателя. В обычной системе смазки масло вытягивается из масляного поддона (масляный поддон, на американском английском) через сетчатый фильтр, который удаляет из масла некоторые крупные частицы мусора. Поток, создаваемый масляным насосом, позволяет маслу распределяться по двигателю. В этой системе масло протекает через масляный фильтр , а иногда и через масляный радиатор, прежде чем пройти через масляные каналы двигателя и распределиться для смазки поршней, колец, пружин, штоков клапанов и многого другого.
Давление масла, создаваемое в большинстве двигателей, должно составлять около 10 фунтов на квадратный дюйм на каждые 1000 оборотов в минуту (об/мин), достигая пика около 55-65 фунтов на квадратный дюйм. [2]
Локальное давление (на шейке коленчатого вала и подшипнике) намного выше, чем 50, 60 фунтов на квадратный дюйм и т. д., установленные предохранительным клапаном насоса, и будет достигать сотен фунтов на квадратный дюйм. Это более высокое давление создается относительными скоростями в футах в секунду (не об/мин или размером шейки напрямую) самой шейки коленчатого вала по отношению к подшипнику, шириной подшипника (до ближайшей утечки давления), вязкостью масла и температурой, уравновешенными зазором подшипника (скоростью утечки).
Все, что делает давление насоса, это «заполняет отверстие» и обновляет масло в кольцевом пространстве быстрее, чем утечка выталкивает его. Вот почему низкооборотные двигатели имеют относительно большие шейки, а насос имеет лишь скромные размеры и давление. Низкое давление указывает на то, что утечка из подшипников выше, чем производительность насоса.
Давление масла на выходе насоса, которое открывает предохранительный клапан, представляет собой просто сопротивление потоку, вызванное зазорами и ограничениями подшипников.
Указатель давления масла, или контрольная лампа, показывает только давление в точке, где его датчик входит в ту часть системы, которая находится под давлением, а не везде, не дает усредненную или обобщенную картину системного давления.
Несмотря на частое сравнение с теорией гидравлической инженерии, это не «закрытая система», в которой давление масла сбалансировано и одинаково везде. Все двигатели являются «открытыми системами», поскольку масло возвращается в поддон посредством серии контролируемых утечек. Подшипники, наиболее удаленные от насоса, всегда имеют самое низкое давление из-за количества утечек между насосом и этим подшипником. Избыточный зазор подшипника увеличивает потерю давления между первым и последним подшипником в серии.
В зависимости от состояния двигатель может иметь приемлемое манометрическое давление, но при этом давление на одном шатуне может составлять всего 5 фунтов на квадратный дюйм, что приведет к отказу при высокой нагрузке.
Давление на самом деле создается сопротивлением потоку масла вокруг двигателя. [6] Таким образом, давление масла может меняться во время работы в зависимости от температуры, скорости двигателя и износа двигателя. Более низкая температура масла может вызвать более высокое давление, так как масло гуще, в то время как более высокие скорости двигателя заставляют насос работать быстрее и проталкивать больше масла через двигатель. Из-за разницы в температуре и нормальной более высокой скорости двигателя при холодном запуске двигателя нормально видеть более высокое давление масла при запуске двигателя, чем при нормальных рабочих температурах, где нормальное давление масла обычно падает между 30 и 45 фунтами на квадратный дюйм. [7] Слишком большое давление масла может создать ненужную работу для двигателя и даже добавить воздух в систему. Чтобы гарантировать, что давление масла не превысит номинальный максимум, как только давление превысит заданный предел, подпружиненный предохранительный клапан сбрасывает избыточное давление либо на всасывающую сторону насоса, либо непосредственно обратно в масляный поддон или бак.
Результатом слишком высокого давления масла является то, что передние или задние главные уплотнения двигателя будут взорваны и/или выбьют масляные пробки. Другими словами, любой возможный вход в картер, который каким-то образом герметизирован, может быть взорван. Высокое давление масла часто означает чрезвычайно высокое давление при холодном пуске, но это конструктивный недостаток, а не автоматическое следствие высокого давления. Наблюдение «если вы повышаете максимальное давление, холодное давление становится слишком высоким» является точным, но не преднамеренным.
Даже у стандартных насосов (независимо от марки и модели) не хватает пропускной способности предохранительного клапана: предохранительный порт слишком мал, чтобы справиться с объемом холодного масла. Вот почему существует значительная разница между холодным и горячим маслом, высокими и низкими оборотами и т. д., но обычно это не проблема для стандартных двигателей из-за подпружиненного предохранительного клапана, упомянутого выше. Правильно спроектированный предохранительный порт (который отсутствует в серийных двигателях) будет пропускать любой объем масла, который пропустят шестерни, независимо от вязкости или температуры масла, а показания манометра будут меняться лишь незначительно.
Давление масла контролируется датчиком давления масла, который обычно устанавливается на блоке двигателя. Это может быть либо подпружиненный датчик давления, либо электронный датчик давления, в зависимости от типа датчика. Проблемы с датчиком давления масла или соединениями между ним и дисплеем водителя могут привести к ненормальным показаниям давления масла, когда давление масла вполне приемлемо.
Существует всего четыре причины низкого давления масла:
Низкое давление масла может привести к повреждению двигателя. Первыми выйдут из строя подшипники кулачкового вала, если автомобиль имеет OHC, так как они подаются через ограничитель, и низкое давление лишит верхнюю часть двигателя смазки. Если поршни имеют корончатые жиклеры (например, Scania), это может привести к заклиниванию поршня/гильзы. Также могут заклинить подшипники коленчатого вала и шатуна. Признаками низкого давления масла могут быть горящая контрольная лампа, показания низкого давления на манометре или стучащие/звенящие звуки из двигателя. Низкое давление масла — это проблема, которую необходимо устранить немедленно, чтобы предотвратить серьезные повреждения.
Основной причиной низкого давления масла в двигателе является износ жизненно важных деталей двигателя. Со временем подшипники и уплотнения двигателя изнашиваются. Износ может привести к тому, что эти детали в конечном итоге потеряют свои первоначальные размеры, и этот увеличенный зазор позволяет большему объему масла течь с течением времени, что может значительно снизить давление масла. Например, износ 0,001 дюйма основных подшипников двигателя может привести к потере давления масла до 20%. [6] Простая замена изношенных подшипников может решить эту проблему, но в старых двигателях с большим износом мало что можно сделать, кроме как полностью перебрать двигатель.
Частицы в масле также могут вызывать серьезные проблемы с давлением масла. После того, как масло проходит через двигатель, оно возвращается в масляный поддон и может унести с собой много мусора. Мусор может вызвать проблемы с сеткой для забора масла и самим масляным насосом. Отверстия в сетке для забора масла имеют размер около 0,04 квадратных дюйма (0,26 см 2 ). [6] Отверстия такого размера собирают только более крупные куски мусора и позволяют множеству более мелких кусков проходить через него. Отверстия в сетке такие большие (по отношению к мусору), потому что при низких температурах и низкой скорости двигателя масло очень вязкое и требует больших отверстий для свободного потока. Даже с этими большими отверстиями в сетке оно все равно может засориться и вызвать низкое давление масла. Покрытие толщиной 0,005 дюйма (0,13 мм) на сетке может уменьшить размер отверстий примерно до 0,03 квадратных дюйма (0,19 см 2 ), что, в свою очередь, снижает поток масла на 44 процента. [6]
Даже после прохождения через масляный фильтр и масляный фильтр в масле может оставаться мусор. Очень важно менять масло и масляный фильтр, чтобы минимизировать количество мусора, проходящего через двигатель. Этот вредный мусор вместе с обычным износом двигателя в двигателях с большим пробегом приводит к увеличению зазоров между подшипниками и другими движущимися частями.
Низкое давление масла может быть просто из-за недостаточного количества масла в поддоне из-за сгорания масла (обычно вызванного износом поршневых колец или изношенными уплотнениями клапанов) или утечки. Поршневые кольца служат для герметизации камеры сгорания, а также для удаления масла с внутренних стенок цилиндра. Однако, когда они изнашиваются, их эффективность падает, что оставляет масло на стенках цилиндра во время сгорания. В некоторых двигателях сжигание небольшого количества масла является нормальным и не обязательно должно вызывать тревогу, тогда как большой расход масла является признаком того, что двигателю может потребоваться капитальный ремонт.
Не все двигатели имеют одинаковые потребности в смазке. Например, двигатели высокой производительности оказывают большую нагрузку на систему смазки. В этом случае система смазки должна быть особенно прочной, чтобы предотвратить повреждение двигателя. [2] Большинство двигателей в современных автомобилях не работают со скоростью более 5000–6000 об/мин, но это не всегда так в двигателях высокой производительности, где скорость вращения двигателя может достигать 8000–9000 об/мин. В таких двигателях крайне важно, чтобы масло циркулировало достаточно быстро, иначе в масле может попасть воздух. Кроме того, для высвобождения мощности некоторые двигатели в высокопроизводительных приложениях используют масло с меньшей массой, что требует меньшей мощности для работы масляного насоса. Обычные массы масла в современных двигателях обычно составляют либо масло 5W-30, либо 10W-30, тогда как в двигателях высокой производительности может использоваться масло 0W-20, которое менее вязкое. [8]
Обычные двигатели с мокрым картером имеют один масляный насос. Он обычно располагается внутри нижней части двигателя, обычно ниже и/или сбоку от коленчатого вала. В двигателях с сухим картером требуется как минимум два масляных насоса: один для нагнетания и распределения масла по компонентам двигателя и как минимум один другой «откачивающий насос» для откачки масла, скопившегося в нижней части двигателя. [9] Этот откачивающий насос иногда (но не всегда) располагается в «поддоне» двигателя, и, что особенно важно, производительность этого откачивающего насоса должна превышать производительность насоса, который нагнетает и распределяет масло по всему двигателю.
Из-за внешнего масляного резервуара сухого картера избыток воздуха может выходить из масла до того, как масло будет закачано обратно через двигатель. Сухие картеры также обеспечивают большую мощность, поскольку они уменьшают величину сопротивления воздуха , плескание масла во вращающемся узле, а вакуум от откачивающего насоса улучшает кольцевое уплотнение. [10] Сухие картеры более популярны в гоночных приложениях из-за улучшенной мощности и уменьшенного плескания масла, которое в противном случае снизило бы давление масла. Недостатками сухих картеров являются увеличенный вес, дополнительные детали и большая вероятность утечек и возникновения проблем.
