На главную

Гидравлический удар в поршневой машине (гидроудар в двигателе).

Гидравлическим ударом называется явление, происходящее в двигателях внутреннего сгорания при попадании в рабочую камеру значительного количества жидкости. Как известно, цикл работы поршневого четырехтактного ДВС состоит из 4-х тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. На такте сжатия происходит сжатие газообразной топливовоздушной смеси (или воздуха у ДВС с впрыском в камеру сгорания). Газы, как известно, значительно изменяют свой объем при изменении давления. Жидкость изменяет свой объем в настолько малой степени, что ее считают практически несжимаемой. Если на такте сжатия в рабочей камере оказалась значительное количество жидкости (рис 1), то поршень не сможет дойти до верхней мертвой точки и остановится.

Разрушение деталей двигателя происходит в том случае, когда действующие на них нагрузки превышают допустимые по условиям прочности. Нагруженность деталей двигателя при попадании в рабочую камеру жидкости будет зависеть от количества жидкости, рабочего объема цилиндра и степени сжатия, частоты вращения коленчатого вала в момент гидроудара и других факторов.

Отношение количества жидкости, попавшей в рабочую камеру к объему камеры сгорания при нахождении поршня в верхней мертвой точке, позволяет оценить положение поршня в момент его остановки при гидроударе и возможность остановки поршня.

Определим объем рабочей камеры ДВС при нахождении поршня в верхней мертвой точке для четырехцилиндрового двигателя, рабочим объемом 1,6 литра со степенью сжатия ε=10. Рабочий объем одного цилиндра будет Vp=1,6/4=0,4л. Объем рабочей камеры при нахождении поршня в верхней мертвой точке (минимальный объем) составит 44 мл.

Попадание в рабочую камеру значительно меньшего количества жидкости  не вызовет гидроудар. Несжимаемая жидкость просто-напросто увеличит степень сжатия (воздух все равно присутствует) и затем удалится в выпускную систему на такте выпуска. Если же в рабочую камеру попадет жидкости больше, то поршень не сможет дойти до ВМТ, т. к. упрется в жидкость.

С точки разрушения деталей двигателя важны силы, которые будут действовать на детали. Гидроудар происходит на такте сжатия, при котором поршень движется за счет вращения от энергии коленчатого вала. Источником силы на поршне, пытающимся сжать несжимаемую жидкость будет инерционная сила вращения КВ (коленчатого вала), маховика и/или соединенных с ними элементов трансмиссии. Поршень, совершающий возвратно-поступательные движения соединен с КВ посредством кривошипно-шатунного механизма. Рассмотрим кинематику движения поршня. Допустим, что коленчатый вал вращается равномерно. При этом скорость движения поршня будет меняться от 0 до максимальной скорости Vпmax в середине хода поршня (которая будет равна скорости поступательного движения шатунной шейки коленчатого вала Vпmax=Vшш). Скорость поршня будет зависеть от угла поворота КВ: Vп=Vшш*sin(φ).  Зависимость скорости движения поршня от угла поворота КВ за один оборот КВ показана на графике 1.

Однако, разрушение деталей двигателя при гидроударе происходит не за счет высокой скорости движения поршня на такте сжатия. Даже наоборот. Скорость движения поршня обратно пропорциональна силе, которая может быть приложена к поршню от шатуна. На графике 2 представлена зависимость силы, которая может быть передана поршню посредством кривошипношатунного механизма от коленчатого вала при постоянном на нем моменте. Вблизи мервых (0; 0,5; 1 на графике) точек значительному угловому перемещению КВ соответствует очень малое перемещение поршня. Даже малый момент коленчатого вала способен вызвать  на поршне значительную силу. Но при работе двигателя эта сила (на такте сжатия) ограничивается той силой, что необходимо приложить к поршню для сжатия топливовоздушной смеси. Максимальная нагрузка при работе двигателя на элементы кривошипно-шатунного механизма и цилиндро-поршневой группы будет действовать при сгорании топлива в тот момент, когда давление в цилиндре достигнет максимальной величины. Для бензиновых двигателей значения давлений доходят до 50 МПа (500 атмосфер), для дизельных — до 200 МПа (2000 атмосфер). При гидравлическом ударе давления и нагрузки превосходят эти, допустимые по условиям прочности деталей нагрузки.

Причины гидроудара в двигателе будут раскрыты в следующей статье...

Специалист                                                           Александр (sancho ник на форуме)