Сила, препятствующая перемещению одной детали по поверхности другой, как вы знаете, называется силой трения. С ней мы встречаемся на каждом шагу. Вот вы едете на велосипеде по сухому асфальту и резко тормозите. Остановившись, обнаруживаете на асфальте черный след. Это мельчайшие частицы резины от шины заторможенного колеса. При торможении с той же скоростью на мокром асфальте замечаете, что тормозной путь (след) резко увеличился, а «чернота» уменьшилась. Это говорит о том, что сила трения между шиной и дорогой уменьшилась, уменьшился и износ шины. Объясняется это тем, что между шиной и дорогой оказалась вода. Аналогичный процесс происходит и между любыми трущимися поверхностями.
Для провертывания коленчатого вала двигателя необходимо приложить определенное усилие, чтобы преодолеть силы трения, возникающие при относительном перемещении деталей в коренных и шатунных подшипниках, между поршнями и стенками цилиндров, клапанами и их гнездами и другими деталями.
Трение деталей всегда сопровождается нагревом, приводящим иногда к их повреждению. Для уменьшения нагрева необходимо уменьшить силу трения, т. е. смазывать детали.
Во время работы двигателя необходимо постоянно отводить часть тепла от трущихся поверхностей. Сделать это можно, постоянно подводя в пространство между поверхностями свежее масло и отводя нагретое. Такая циркуляция способствует также очистке поверхностей и удалению продуктов износа.
В автомобильном двигателе очень много трущихся поверхностей деталей, и все они работают в самых различных динамических и температурных условиях. Естественно, в зависимости от этих условий выбирается и способ смазки. Детали современного двигателя смазываются комбинированно: под давлением, разбрызгиванием и самотеком. Рассмотрим типичную схему, представленную на рис. 29.
Рис. 29. Схема смазки двигателя
Масло заливается в поддон картера двигателя через заливную горловину до определенного уровня, который контролируется при помощи измерительного стержня (щупа). Смазка под давлением означает, что масло но каналам, просверленным в блоке цилиндров, коленчатом валу и других деталях принудительно подается к наиболее ответственным и работающим под большой нагрузкой деталям: коренным и шатунным подшипникам коленчатого вала, подшипникам распределительного вала, осям коромысел, распределительным шестерням и другим деталям. Вытекающее из зазоров масло разбрызгивается вращающимися деталями, в результате создается масляный туман, оседающий на стенки цилиндров, поршни, кулачки распределительного вала, толкатели и другие детали.
Для нагнетания масла в систему используется масляный насос (рис. 30) шестеренчатого типа. Насос состоит из корпуса, в котором расположены шестерня и зубчатое колесо, и крышки с клапаном. Ведущая шестерня жестко посажена на валу, а зубчатое колесо свободно на оси. Вал приводится во вращение от распределительного или коленчатого вала двигателя (у дизеля ЯМЗ).
Рис. 30. Схема работы масляного насоса
Как же шестерня и зубчатое колесо могут перекачивать масло? Масляный насос находится в картере двигателя, как правило, ниже уровня масла, но может быть и выше. Но тогда предусмотрен обратный клапан, препятствующий стеканию масла из насоса, т. е. оно всегда находится в насосе, поступая через маслоприемник. Шестерня и зубчатое колесо изготовлены так, что между ними, корпусом и крышкой сохранен малый зазор. Поэтому пространство между двумя соседними зубьями шестерен, крышкой и картером, заполненное маслом, как бы изолировано от других таких же пространств. При вращении шестерни и зубчатого колеса, а вращаются они в противоположные стороны, небольшое количество масла захватывается зубьями и вдоль стенки корпуса переносится в противоположный конец насоса, к выпускному каналу. Ему остается один путь — через выпускное отверстие в масляные каналы. В этом месте и наблюдается давление. В то же время в зоне впускного отверстия создается разрежение и место только что ушедшего масла заполняет вновь поступившее из маслоприемника.
Итак, масло из картера двигателя подается под давлением масляным насосом. Поток масла поступает в фильтр. Пройдя через поры фильтра и очистившись от загрязнений, масло поступает в магистральный канал, а из него по пяти каналам к коренным подшипникам коленчатого вала и далее по каналам в щеках самого коленчатого вала — к шатунным подшипникам.
В теле шатуна просверлено отверстие, через которое при совмещении отверстия с каналом шейки разбрызгивается струя масла, направленная на стенку цилиндра. При вращении коленчатого вала разбрызгивается также масло, вытекающее из зазоров в подшипниках. Таким образом в картере двигателя образуется масляный туман, окутывающий все детали. Им дополнительно смазываются зеркало цилиндров, поршни, поршневые пальцы.
Под давлением смазываются также рабочие поверхности валика привода прерывателя-распределителя зажигания, масляного и топливного насосов и опоры распределительного вала.
А как смазывается верхняя часть зеркала цилиндра, куда не сможет попасть ни струя масла при разбрызгивании из отверстия шатуна, ни масляный туман?
Активное участие в смазке стенок цилиндров принимают поршневые кольца. Они проявляют так называемое «насосное действие». Выражается оно в том, что при движении поршня вниз поршневое кольцо прижимается к верхней торцовой стенке поршневой канавки и масло, снимаемое кольцом со стенки цилиндра, заполняет все образовавшиеся зазоры под кольцом (рис. 31, а). При движении поршня вверх поршневое кольцо прижимается к нижней стенке поршневой канавки (рис. 31,6) и масло переходит в зазоры над кольцом, обильно смазывая зеркало цилиндра. Причем трущиеся поверхности смазываются настолько обильно, что часть масла попадает в камеру сгорания, где при рабочем ходе воспламеняется, образуя нагар на стенках камеры сгорания и свечах.
Рис. 31. Схема насосного действия колец
Избыток масла снимают, как мы отмечали, маслосъемным кольцом. Когда поршень идет вниз, излишнее масло счищается со стенок цилиндра. Оно проходит через прорези в кольце и отверстия в поршне и стекает в поддон картера (рис. 31, в).
При пуске двигателя зимой, когда он не прогрет и масло загустевшее, может образоваться давление, опасное для маслопроводов и приборов. Поэтому давление в таких случаях ограничивается редукционным клапаном, представляющим собой в зависимости от конструкции шарик или плунжер с пружиной. Пружина обычно отрегулирована на давление 0,35—0,5 МПа (3,5—5 кгс/см²). При большем давлении пружина сжимается, и часть масла через редукционный клапан возвращается в поддон картера.
Поддон картера является ванной для масла. Из него масло забирается насосом, в него же оно и попадает, после того как пройдет через всю систему. Здесь масло отстаивается, частично охлаждается и вновь поступает для смазки.
В нижней части поддона картера предусмотрена специальная пробка для слива отработанного масла. В пробке часто устанавливается магнит, к которому в процессе работы притягиваются чугунные и стальные частицы износа, получающиеся в результате трения. Эти частицы — злейший враг трущихся деталей. Они как наждачная бумага снимают слой металла, тем самым увеличивая зазор между деталями и выводя их из строя. Таким образом, магнит выполняет роль своеобразного фильтра, препятствующего попаданию частиц между трущимися деталями.
На современных автомобилях значительное распространение получили полнопоточные масляные фильтры с бумажным фильтрующим элементом и фильтрующей вставкой из вискозного волокна (рис. 32). Такой фильтр пропускает через себя все масло, подаваемое масляным насосом. Масло в фильтре очищается от механических частиц и продуктов окисления.
Рис. 32. Полнопоточный масляный фильтр
В случае загрязнения бумажного фильтрующего элемента или при пуске холодного двигателя проход масла затруднен, поэтому чтобы не было перебоев в смазочной системе, в конструкцию фильтра введена вставка из вискозного волокна. Она более грубо фильтрует масло по сравнению с бумажным элементом, однако обеспечивает доступ чистого масла в систему даже в неблагоприятных условиях.
На грузовых автомобилях устанавливают центробежные фильтры-центрифуги (рис. 33). В корпусе на оси свободно установлен ротор. В оси предусмотрены отверстия, по которым масло поступает в ротор. В верхней части корпуса ротора установлен колпачок с сетчатым фильтром, а в нижней ввернуты два жиклера, направленные в разные стороны.
Рис. 33. Центробежный фильтр
Подаваемое в центрифугу масло проходит через ось в ротор, протекает через сетчатый фильтр в верхней части ротора и вытекает с большой скоростью из двух жиклеров. Под действием реактивных сил ротор вместе с маслом начинает вращаться с частотой 5000—6000 мин-1. Механические примеси в масле под действием сил инерции отбрасываются к стенкам ротора и осаждаются на них, а очищенное масло стекает в поддон двигателя.
При значительном загрязнении фильтрующих элементов, особенно когда двигатель не прогрет, возникает большое сопротивление при прохождении масла в фильтре, поэтому при разнице давлений на входе и выходе 0,06—0,075 МПа (0,6 0,75 кгс/см²) открывается перепускной клапан и масло, минуя фильтры, попадает в масляную магистраль.
В определенных трудных условиях эксплуатации автомобиля температура масла может настолько повыситься, что ухудшаются его смазывающие свойства, давление в смазочной системе падает, возникает опасность нарушения нормальной работы двигателя. В таких случаях масло необходимо охлаждать. Для этого в систему (см. рис. 31) иногда устанавливают масляный радиатор. Его конструкция аналогична конструкции радиатора для охлаждения жидкости. В нем трубки между бачками расположены горизонтально.
Масляный радиатор обычно устанавливают перед радиатором системы охлаждения и подключают к масляному насосу. Охлажденное в нем масло стекает по трубке в поддон. Перед масляным радиатором устанавливают предохранительный клапан, который препятствует поступлению масла в радиатор, когда давление в системе смазки меньше 0,1 МПа (1кгс/см²). Кроме того, перед масляным радиатором смонтирован краник, с помощью которого можно отключить радиатор в холодное время года.
Для контроля за работой системы смазки в кабине водителя устанавливают указатель электрического прибора, показывающий давление масла в системе смазки, а также электрическая лампочка, сигнализирующая о падении давления ниже допустимого.
В процессе работы двигателя отработавшие газы, а вместе с ними и продукты неполного сгорания топлива прорываются между поршнями и стенками цилиндров в картере двигателя. По мере износа деталей двигателя их количество возрастает.
Прорвавшиеся в картер газы содержат сажу, соединение свинца, нагар, кислоты, пары воды и бензина, продукты термического разложения топлива и другие примеси. В результате их контакта с маслом, особенно с находящимся в туманообразном состоянии, происходит образование различных кислот, интенсивное окисление масла, его загрязнение и коррозия деталей. Кроме этого, проникающие газы нагревают масло, разжижают его, создают давление в картере, под действием которого масло выгоняется через сальники коленчатого вала.
Для удаления газов из картера на современных двигателях в большинстве случаев используется замкнутая принудительная система вентиляции (рис. 34, а). Газы из картера отсасываются через шланг в воздушный фильтр и через смесительную камеру карбюратора вновь поступают в цилиндры двигателя, где сгорают и выбрасываются вместе с отработавшими газами в атмосферу. Чтобы не создавалось разрежение в картере при отсосе газов, к нему по трубке подводится из воздушного фильтра свежий воздух.
Рис. 34. Система вентиляции картера: я - открытая; б - закрытая
В открытой системе вентиляции (рис. 34,6) в пробке маслоналивной горловины установлен фильтр из капронового волокна, смоченного маслом, а полость картера соединена трубкой с атмосферой (обычно выведена вниз, под автомобиль). При движении автомобиля у ее конца создается разрежение, и из картера двигателя отсасываются пары бензина, воды и отработавшие газы. Свежий воздух в картер поступает через фильтр маслозаливной горловины.
Естественно, с газами засасывается и масло, находящееся в туманоббразном состоянии. Для предотвращения его уноса из картера на пути следования газов устанавливают маслоотделитель. Конструкция его такова, что при прохождении через него газы несколько раз меняют направление, совершая петлеобразное и винтовое движение. В результате частицы масла оседают на стенках и по трубке стекают в картер.
При работе бывают случаи «чихания» двигателя в карбюратор. Это значит, что при некоторых неисправностях, например, при отсутствии зазора между коромыслом впускного клапана и клапаном (коромыслом и кулачком распределительного вала), т е. когда образуется зазор между тарелкой клапана и его седлом, пламя из цилиндров прорывается в карбюратор и поджигает горючую смесь, приготовленную карбюратором. Получается взрыв, в момент которого часть пламени выбрасывается в вытяжной шланг вентиляции картера. Если не установить пламегаситель, возможно такое же взрывоподобное сгорание нагретых паров бензина и масла в картере двигателя. Чтобы этого не произошло, на пути газов от маслоотделителя к воздушному фильтру устанавливается пламегаситель в виде ерша из медной проволоки.