Обеспечение бескавитационной работы водяного насоса двигателя внутреннего сгорания

В статье рассмотрены механизмы возникновения кавитации на поверхностях охлаждения гильз и блоков дизелей, дана методика расчёта кавитационных разрушений с целью определения сроков службы деталей. Указаны рекомендации по уменьшению кавитационных явлений на поверхностях охлаждения. На основе анализа существующих конструкций дизелей теоретически обоснованы конструктивные решения при проектировании дизельного двигателя с высокотемпературным охлаждением.

Ключевые слова: система охлаждения, дизельный двигатель, кавитационные разрушения, высокотемпературное охлаждение, водяной насос

Повышение температуры в системе охлаждения сопровождается повышением давления насыщенных паров охлаждающей жидкости, что в свою очередь повышает вероятность вскипания жидкости, циркулирующей в системе охлаждения.

Наличие пузырьков пара в охлаждающей жидкости может привести к снижению производительности водяного насоса, которое может привести к перегреву двигателя.

Кроме того, кавитация отрицательно влияет на состояние таких деталей как крыльчатка водяного насоса, корпус водяного насоса, гильзы цилиндров и так далее.

Вместе с тем, повышение температуры охлаждающей жидкости при неизменных конструкциях водяного тракта, напора и подаче насоса возможно лишь при достаточно большом значении действительного (располагаемого) кавитационного запаса насоса, превышающем значение его критического (требуемого) запаса не менее чем в 1–1,5 раза.

Требуемый кавитационный запас определяется конструкцией насоса, его параметрами и представляет собой минимально допустимую разность между удельной энергией потока на входе в рабочее колесо при данной подаче и энергией, соответствующей давлению насыщенных паров перекачиваемой охлаждающей жидкости при данной температуре.

В настоящее время применяется несколько способов борьбы с кавитацией водяного насоса.

Располагаемый кавитационный запас можно повысить, если сократить длину всасывающего тракта и увеличить диаметр подводящего патрубка. Однако изменение размеров всасывающей магистрали ограничено условиями компоновки системы охлаждения и взаимосвязи отдельных элементов водяного тракта.

Можно создать подпор в подводящем патрубке водяного насоса, если поместить расширительный бачок выше, чем в штатной системе охлаждения. Тогда высота его установки более чем в три раза превысит то же значение из штатной системы охлаждения. Делать это не позволяют условия компоновки дизеля на транспортном средстве.

По известным причинам, неприемлемы также возможные варианты создание искусственного подпора от постоянного источника сжатого воздуха с целью повышения давления охлаждающей жидкости в подводящем патрубке водяного насоса.

Не может быть признан удачным и проектируемый некоторыми заводами изготовителями дизелей способ создания подпора за счёт перепуска части охлаждающей жидкости с повышенным давлением из линии нагнетания в подающий патрубок водяного насоса, так как это связано с необходимостью увеличения подачи насоса почти на 60 % и соответственно затрат мощности на его привод.

Возможен вариант включения в контур системы высокотемпературного охлаждения вспомогательного центробежного насоса для обеспечения подпора в подводящем патрубке основного циркуляционного насоса. Однако при этом возникает задача обеспечения безкавитационной работы уже вспомогательного насоса, да и установка на двигатель второго насоса вызовет определённые сложности.

Особого внимания заслуживает схема для замкнутых систем высокотемпературного охлаждения двигателей внутреннего сгорания, предложенная Соколовым Е. А., Зингер Н. М. [1, с. 15]. Это схема системы высокотемпературного охлаждения с использованием смесительного подпорного узла. Он состоит из струйного насоса, сопла, которое подключено к нагнетательной полости водяного насоса, а диффузор соединён с его всасывающим патрубком и так называемый компенсационной линией (она сообщает расширительный бачок с приёмной камерой струйного насоса). Предложенная схема позволяет получить значительный подпор при меньшей доле перепускаемой жидкости из полости нагнетания.

Принципиальная схема системы охлаждения с применением струйного насоса представлена на рисунке 1. Потоки рабочей и инжектируемой сред поступают в камеру смешивания, где происходит выравнивание скоростей, сопровождающееся повышением давления. Из смесительной камеры поток поступает в диффузор, где происходит дальнейший рост давления. Давление смешанного потока на выходе из диффузора выше давления инжектируемого потока, поступающего в приёмную камеру [2, с. 38].

В данном случае инжектируемым является поток, поступающий из расширительного бачка, рабочим — из нагнетающей полости водяного насоса.

Рис. 1. Принципиальная схема системы охлаждения. ВН — водяной насос; В — вентилятор; ДКЛ — датчик контрольной лампы; ДТЖ — датчик температуры охлаждающей жидкости; ЗГ — заливная горловина; К — кран сливной; ВК — воздушный клапан; ПК — паровой клапан; КТ — коробка термостатов; Р — радиатор; РБ — расширительный бачок; РО — рубашка охлаждения

Повышение давления инжектируемого потока без непосредственной затраты механической энергии является основным принципом струйных насосов. Благодаря этому качеству использование струйного насоса позволяет получить более высокое давление на входе в циркуляционный насос по сравнению с давлением столба жидкости в расширительном бачке.

Включение в водяной тракт системы высокотемпературного охлаждения смесительно-подпорного устройства параллельно водяному насосу — один из наиболее простых и эффективных способов увеличения располагаемого кавитационного запаса циркуляционного насоса.

Применение высокотемпературного охлаждения на дизельном двигателе вносит некоторые конструктивные изменения в агрегаты системы охлаждения. Не исключено, что может возникнуть и необходимость уточнённого проектировочного расчёта отдельных элементов системы охлаждения.

Оценка конструкции проектируемого двигателя заключается в оценке таких его показателей, как живучесть, готовность к функционированию и обитаемости с одним двигателем.

Применение высокотемпературного охлаждения позволяет двигателю сохранить стабильный режим охлаждения в любых условиях эксплуатации без потерь охлаждающей жидкости в виде пара.

Уменьшенная емкость радиатора системы охлаждения, вызванная применением высокотемпературного охлаждения, несколько уменьшает время заправки системы охлаждения жидкостью при подготовке автомобиля к движению, отсюда и экономия охлаждающей жидкости, и меньшая вероятность поражения осколками радиатора системы охлаждения.

Отсутствие жалюзи совсем исключает участие водителя в регулировании теплового состояния двигателя.

При эксплуатации автомобиля в условиях низких температур окружающего воздуха используется система отопления кабины.

Размеры теплообменников могут быть сокращены, так как температура охлаждающей жидкости обеспечит быстрый прогрев кабины водителя и при меньшей поверхности теплообменника. Это — еще один путь экономии цветных металлов при использовании высокотемпературного охлаждения.

В данной статье рассмотрен механизм и места кавитационных разрушений наиболее ответственных деталей двигателя, таких как гильза и блок, предложена методика определения их ресурса из условий кавитационных явлений. Даны рекомендации по снижению вибраций и кавитационных разрушений полостей охлаждения дизельного двигателя.

Литература:

1. Кавитационные разрушения в дизелях. Иванченко Н. Н., Скуридин А. А., Никитин М. Д., Л., Машиностроение, 1970 г.
2. Петриченко Р. М. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания. Л., Машиностроение. 1975 г.
3. Соколов Е. Я., Зингер Н. М. Струйные аппараты. -М.: Энергия 1989 г.