Температурное воздействие

     Криогенные  аспекты 

     Криогенные  процессы  — совокупность физических и физико-химических процессов, возникающих  в результате охлаждения их до отрицательных  температур и замерзания. К криогенным процессам в сфере автотранспорта, относятся влияние низких температур на эксплуатационные свойства автомобильной  техники.

     Температура окружающего воздуха оказывает  существенное влияние на эксплуатацию машин.

     Низкая  температура затрудняет пуск двигателя, оказывает отрицательное влияние  на работу всех его систем и поддержания  нормального теплового режима. Вследствие низких температур окружающего воздуха  значительно ухудшается испаряемость бензина и увеличивается плотность  воздуха, что приводит к значительному  обеднению горючей смеси и  плохому ее воспламенению при  пуске двигателей. В дизелях вследствие повышения вязкости топлива и  снижения температур воздушного заряда в цилиндрах нарушаются условия  смесеобразования и ухудшается самовоспламенение дизельного топлива.

     Эксплуатация  автомобиля при низких температурах — связана с интенсивным охлаждением  механизмов, агрегатов, эксплуатационных материалов, что, в свою очередь, затрудняет пуск двигателей, уменьшает надежность автомобилей, ухудшает экономичность, усложняет техническое обслуживание и вождение автомобилей.

     Понижение температуры вызывает более частые поломки деталей и металлических  конструкций, выход из строя гидравлических и пневматических систем в результате повышения вязкости жидкости и замерзания конденсата, ухудшение работы системы  смазывания из-за повышения вязкости масел, повышенное изнашивание деталей  двигателя.

     При длительном воздействии низких температур воздуха хрупкость некоторых  стальных деталей автомобиля повышается. Под действием ударов в процессе технического обслуживания или ремонта в деталях появляются трещины, и они разрушаются. Чаще всего таким поломкам подвергаются рычажки топливных насосов, зубья храповиков коленчатого вала, рессоры, пружины, шарнирные соединения рулевого управления; шпильки ступиц ведущих колес и другие детали. В условиях низких температур, сильных ветров, снежных заносов управление автомобилем усложняется, движение по обледеневшим и заснеженным участкам дороги становится трудным, а зачастую и опасным. Кроме этого, условия труда водителя ухудшаются вследствие уменьшения светового времени суток, плохой видимости и по ряду других причин, связанных с конструкцией автомобилей и качеством нефтепродуктов. 

     Влияние низкой температуры окружающего  воздуха на пуск двигателя 

     При отрицательных температурах окружающего  воздуха пуск двигателя создает  большие трудности. Они возникают  из-за сложности создания пусковой частоты вращения коленчатого вала, ухудшения условий смесеобразования и воспламенения смеси. Для надежного  пуска двигателя скорость проворачивания или частота вращения его коленчатого  вала (n_дв) должна быть равна или превышать минимальную пусковую частоту вращения (n_min), обеспечивающую процесс подготовки горючей смеси в карбюраторном двигателе или достаточную температуру конца сжатия в дизеле, т. е. должно быть выполнено условие n_дв n_min. Величина минимальной пусковой частоты вращения сильно зависит от температуры окружающего воздуха.

     Основное  затруднение в получении необходимой  пусковой частоты вращения коленчатого  вала при низких  температурах связано прежде всего со значительным увеличением энергии, затрачиваемой на преодоление сил трения. Эти силы резко возрастают при понижении температуры вследствие повышения вязкости моторного масла.

     Вместе  с тем на получение пусковой частоты  вращения коленчатого вала двигателя  в большей мере влияет снижение энергетических возможностей аккумуляторной батареи, которое, в первую очередь, происходит из-за изменения ее внутреннего сопротивления.

     Снижение  возможностей АКБ при низких температурах еще больше затрудняет получение  максимальной пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя.

     Значительную  роль в затруднении пуска играет ухудшение условий смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Можно выделить пять факторов: температуру всасываемого воздуха, температуру охлаждающей воды, температуру масла, температуру электролита, температуру топлива.

     Снижение  температуры всасываемого воздуха  приводит к снижению температуры  стенок цилиндров и температуры  воздуха в конце такта сжатия. Для надежного воспламенения рабочей смеси в цилиндре дизеля температура конца сжатия должна быть выше температуры самовоспламенения топлива на 200—300 К.

     В зимнее время температура всасываемого воздуха снижается. Кроме того, уменьшается  и значение показателя политропы сжатия. Уменьшение вызывается увеличением теплоотдачи от находящегося в цилиндрах двигателя воздуха в холодные стенки двигателя. Таким образом, при снижении температуры окружающего воздуха температура конца сжатия уменьшается, а следовательно, ухудшаются условия воспламенения смеси и пуск двигателя.

     К аналогичным результатам приводит и снижение температуры охлаждающей  жидкости.

     При снижении температуры масла значительно  увеличивается его вязкость, в  результате чего увеличивается сопротивление  прокручиванию коленчатого вала и снижается скорость его вращения. Это, естественно, вызывает ухудшение  условий воспламенения.

     Снижение  температуры электролита аккумуляторной батареи в значительной мере ухудшает энергетические возможности аккумулятора, а следовательно, уменьшает и скорость проворачивания коленчатого вала и, в конечном итоге, ухудшает воспламенение топлива.

     При холодном пуске топливо хуже испаряется, так как испарение — процесс  эндотермический, т. е. проходящий с  поглощением теплоты. Достаточно полно в этом случае испаряются лишь легкие фракции топлива.

     Высокая вязкость дизельного топлива при  низких температурах ухудшает его распыливание. При снижении температуры дизельного топлива с+ 20 до —20°С вязкость дизельного топлива увеличивается в 8—10 раз. При этом топливо попадает в цилиндры двигателя в виде сравнительно крупных капель с малой относительной поверхностью. Это затрудняет его воспламенение. Кроме увеличения вязкости охлаждение топлива приводит к перебоям и нестабильности работы двигателя. 

     Влияние низкой температуры окружающего  воздуха на работу сборочных единиц 

     Понижение температуры вызывает более частые поломки деталей и металлических  конструкций, выход из строя гидравлических и пневматических систем в результате повышения вязкости жидкости и замерзания конденсата, ухудшение работы системы  смазывания из-за повышения вязкости масел, повышенное изнашивание деталей  двигателя.

     Основной  причиной, ухудшающей эксплуатацию машин  в условиях низких температур, являются поломки деталей и металлических  конструкций. Увеличение числа поломок  с понижением температуры окружающего  воздуха определяется низкой хладостойкостью сталей, из которых изготовлены детали машин.

     Под хладостойкостью стали (металла) понимается ее способность сохранять вязкость с понижением температуры.

     При понижении температуры деформируются  отдельные детали. Так, например, у  вкладышей подшипников дизельного двигателя, залитых свинцовистой бронзой, при температурах —20° С и ниже из-за разности деформаций стального основания и слоя бронзы искажается кольцевая форма зазора, в результате чего зазор между шейкой вала и вкладышем подшипника уменьшается почти вдвое. Уменьшение зазора нарушает при запуске двигателя нормальную подачу масла к подшипникам, что приводит к местному нагреву слоя свинцовистой бронзы, доходящему в некоторых случаях до + 250° С, а также к разрушению рабочих поверхностей вкладыша, образованию кольцевых рисок и повышенному износу шейки коленчатого вала.

     Повышенный  износ двигателя в период пусков и работы при пониженном тепловом режиме связан с активизацией коррозионных процессов при ухудшенных условиях смазывания (смазка смывается со стенок цилиндров неиспарившимся топливом) и одновременно ростом износа.

     Интенсивность изнашивания многих механизмов машин  также зависит от вязкости масла. Из-за высокой вязкости охлажденного масла ухудшается его прокачка и  нарушается подвод к узлам трения. Так, например, застывание трансмиссионного масла может вызвать полное прекращение  смазывания зубчатых передач. Это происходит потому, что масло, отбрасываемое  центробежными силами, соприкасается  с холодными стенками кожуха и  остается на них. 

     Работа  двигателя на пониженных тепловых режимах  ускоряет процесс нагаро- и лакообразования на деталях камеры сгорания, что может вызвать зависание клапанов, падение компрессии и даже заклинивание поршней в цилиндрах.

     К перечисленному следует добавить увеличение потерь мощности двигателя из-за возрастания давления масла в трансмиссии, ухудшение при отрицательных температурах надежности и эффективности работы систем питания, зажигания, пневматической и гидравлической систем. Необходимо учитывать отрицательное влияние низких температур на физико-механические свойства металлов, резины и других материалов.  

     Влияние низкой температуры окружающего  воздуха на технические жидкости.

     Технические жидкости — это моторное масло, трансмиссионное, охлаждающая жидкость, гидравлические жидкости.

       Моторное, также как и трансмиссионное  масло, имеют вязкость, которая  зависит от температуры окружающей  среды. Как только температура  окружающей среды понижается, моторное  масло густеет и становится  менее текучим, в результате  чего масляный насос теряет  способность эффективно прокачивать  масло по всему двигателю. 

     При температуре, близкой к -40°С работу двигателя сможет обеспечить только масло с индексом 0W. И это притом, что на нашем рынке самыми низкотемпературными являются масла с индексом 0W-30, которые могут выдержать температуру от -30° до +20°, или 0W-40 — от -30° до +35°. Изредка встречается 0W-20.

     Температура застывания синтетического трансмиссионного масла в лучшем случае может достигать -46°С (а минерального -7°С). При этом рабочий диапазон температур начинается именно с -40°.

       Охлаждающие жидкости бывают  разные. И температура их замерзания  во многом зависит используемых  присадок и качества жидкости. В зависимости от того, какой  антифриз залит — он может  замерзнуть при температуре от -65°С до -15°С.

       В целом можно сказать, что  охлаждающие жидкости с температурой  замерзания -40°С имеют синий (бирюзовый) цвет, а с температурой замерзания -65°С окрашены в красный (розовый).

     Жидкость  для омывателя часто продается в виде концентрата с температурой застывания -40°С или -60°С.

       Гидравлические жидкости в основном  имеют температуру застывания  около -50...-60°С. При -40° они не  замерзнут, но увеличатся гидравлические  потери, уменьшается скорость срабатывания  гидроприводов: автомобиль будет  плохо слушаться рули и педали  тормоза, будут плохо переключаться  передачи, а подвеска станет жесткой. 

     Влияние низкой температуры окружающего  воздуха на экономичность

     Эксплуатация  автомобиля при низких ухудшает экономичность, усложняет техническое обслуживание и вождение автомобилей.

     Расход  топлива – важный эксплуатационный параметр автомобиля. Конструкторы всех автомобильных компаний и фирм-производителей соревнуются за экономичность своих  автомобилей, достигнув при этом выдающихся успехов.

     На  величину расхода топлива в зимний период влияют многие факторы. Часть  этих факторов вообще никак не зависят  от уровня мастерства водителя, другая часть факторов, влияющих на расход топлива, вполне может корректироваться при помощи правильного экономичного вождения и правильной эксплуатации автомобиля.

     Ниже  перечислены факторы, оказывающие  существенное влияние на расход топлива  в период зимней эксплуатации автомобиля:

1. Тип и марка/модель автомобиля
2. Температура воздуха
3. Осадки
4. Состояние дорожного покрытия
5. Величина давления воздуха в шинах
6. Манера вождения

     Тип и марка/модель автомобиля в значительной мере определяют характер расхода топлива. Однако есть одна особенность, на которую  редко кто обращает внимание.

     Заключается эта особенность в следующем: производители некоторых автомобилей  в своей документации на автомобиль прямо указывают, что после запуска  двигатель автомобиля следует обязательно  прогреть до температуры +40°C. При отрицательных  температурах подобное требование приводит к значительному расходу топлива.