Система смазки двигателя с сухим картером

Введение

Метод смазки двигателя внутреннего сгорания маслом, содержащимся в отдельном резервуаре

Система сухого картера – это метод управления смазочным моторным маслом в четырехтактных и крупных двухтактных двигателях внутреннего сгорания с поршневым приводом. Система сухого картера использует два или более масляных насоса и отдельный резервуар для масла, в отличие от традиционной системы мокрого картера, которая использует только главный картер (США: масляный поддон) под двигателем и один насос. Двигатель с сухим картером требует наличия предохранительного клапана для регулирования отрицательного давления внутри двигателя, чтобы предотвратить выворачивание внутренних уплотнений. Системы сухого картера широко используются в больших дизельных двигателях, таких как судовые, а также в бензиновых двигателях, применяемых в гоночных автомобилях, самолетах высшего пилотажа, высокопроизводительных водных мотоциклах и мотоциклах. Выбор системы сухого картера для этих применений обусловлен повышенной надежностью, увеличенным объемом масла, предотвращением масляного голодания при высоких перегрузках и/или другими техническими или эксплуатационными соображениями. Системы сухого картера могут быть нецелесообразны для некоторых применений из-за более высокой стоимости, сложности и/или габаритов, среди прочих факторов.

Дизайн

Двигатели смазываются и охлаждаются маслом, которое циркулирует по всему двигателю, подавая смазку в различные подшипники и другие движущиеся части, а затем, под действием силы тяжести, стекает в поддон в основании двигателя. В системе с влажным поддоном, используемой в подавляющем большинстве серийных автомобильных двигателей, масло, которое не циркулирует активно, хранится в поддоне, который имеет достаточный объем для этой цели. Насос забирает масло из поддона и непосредственно перекачивает его обратно в двигатель. В системе с сухим поддоном масло также стекает в основание двигателя, но в значительно менее глубокий поддон, откуда один или несколько откачивающих насосов откачивают его и передают в (обычно внешний) резервуар, где оно охлаждается и деаэрируется, прежде чем снова поступать в двигатель под давлением нагнетающего насоса. Поддон в системе с сухим поддоном на самом деле не сухой; он остается смазанным маслом, стекающим из двигателя. Резервуар обычно высокий и узкий, со специальной конструкцией с внутренними перегородками и выходным (подающим) отверстием для масла в самом низу, обеспечивающим беспрепятственную подачу масла даже при его колебаниях. Работа насоса в системе с сухим поддоном состоит из напорной и откачивающей ступеней. Хотя термин "ступени" обычно используется для описания работы нескольких насосов, они, как правило, работают параллельно, а не последовательно, как можно было бы предположить по этому термину. Напорная ступень забирает масло из нижней части резервуара и пропускает его через фильтр непосредственно в двигатель. Регулируемый регулятор давления обеспечивает стабильность давления масла при различных оборотах двигателя. Система с сухим поддоном требует как минимум два насоса – напорный и откачивающий, – а иногда используется до четырех или пяти откачивающих насосов для минимизации количества масла в двигателе. Напорный и откачивающие насосы часто устанавливаются на общий коленчатый вал, так что один шкив в передней части системы может приводить в действие столько насосов, сколько необходимо по конструкции двигателя. Обычно используется один откачивающий насос на секцию картера; однако в случае инвертированных двигателей (обычно авиационных) необходимо использовать отдельные откачивающие насосы для каждого ряда цилиндров. Следовательно, в инвертированном V-образном двигателе должно быть как минимум два откачивающих насоса и один напорный насос в насосном узле. Системы с сухим поддоном могут быть дополнительно сконструированы для поддержания давления в картере двигателя ниже атмосферного (создания вакуума) путем герметизации картера и обеспечения откачки как масла, так и газов откачивающими насосами. Равновесное давление достигается, когда скорость поступления газов в картер (прорыва газов мимо поршневых колец, а также утечек воздуха и масляных паров) равна скорости удаления газа откачивающим насосом, превышающей необходимую для удаления только масла. В качестве альтернативы, картер может поддерживаться вблизи атмосферного давления путем его вентиляции в масляный резервуар, который, в свою очередь, вентилируется во впускной коллектор двигателя или на открытый воздух.

Engines are both lubricated and cooled by oil that circulates throughout the engine, feeding various bearings and other moving parts and then draining, via gravity, into the sump at the base of the engine. In the wet sump system of nearly all production automobile engines, the oil that's not actively circulating is stored in the sump, which is large enough for this purpose. A pump collects oil from the sump and directly circulates it back through the engine. In a dry sump system, the oil still falls to the base of the engine, but into a much shallower sump, where one or more scavenge pumps draw it away and transfer it to a (usually external) reservoir, where it is both cooled and de aerated before being recirculated through the engine by a pressure pump. The sump in a dry sump system is not actually dry; it is still wet from oil draining from the engine. The reservoir is usually tall and narrow and specially designed with internal baffles, and an oil outlet (supply) at the very bottom for uninhibited oil supply even during sloshing. The dry pump operation consists of a pressure stage and a scavenging stage. Although the term "stages" is commonly used to describe the work of the multiple pumps, they typically run in parallel rather than in series as might be implied by the term. The pressure stage draws oil from the bottom of the reservoir and passes it through the filter and into the engine itself. An adjustable pressure regulator ensures that the oil pressure is kept stable at different engine speeds. The dry sump system requires at least two pumps one pressure and one scavenge and sometimes as many as four or five scavenge pumps are used to minimize the amount of oil in the engine. The pressure pump and scavenge pumps are frequently mounted on a common crankshaft, so that a single pulley at the front of the system can run as many pumps as the engine design requires. It is common practice to have one scavenge pump per crankcase section; however, in the case of inverted engines (typically aircraft engines) it is necessary to employ separate scavenge pumps for each cylinder bank. Therefore, an inverted V engine would have a minimum of two scavenge pumps and a pressure pump in the pump stack. Dry sump systems may optionally be designed to keep the engine's crankcase at lower than atmospheric pressure (vacuum), by sealing the crankcase and allowing the scavenge pumps to draw out both oil and gases. An equilibrium pressure will be reached when the rate of gases entering the crankcase (blow by gases past the piston rings, but also air leaks and oil vapor) equals the rate of gas removal from the scavenge pump capacity beyond what's required to remove just the oil. Alternatively, the crankcase may be kept near atmospheric pressure by venting it to the oil reservoir, which in turn is vented into the engine's air intake, or to outside air.

Преимущества

Сухая система смазки имеет множество преимуществ по сравнению с мокрой. Основные преимущества включают: предотвращение масляного голодания двигателя при высоких перегрузках, когда масло выбрасывается из поддона, что повышает надежность двигателя. Большинство двигателей могут быть повреждены даже при кратковременном масляном голодании. Именно поэтому сухие системы смазки были изобретены, и они особенно ценны в гоночных автомобилях, высокопроизводительных спортивных автомобилях и самолетах высшего пилотажа, которые регулярно испытывают высокие ускорения. Выброс масла из поддона происходит и в сухих системах смазки, но гораздо проще спроектировать удаленный резервуар, способный выдерживать значительный выброс масла, сделав его высоким и узким и оснастив большими перегородками. Увеличение объема масла за счет использования большого внешнего резервуара, что было бы непрактично в системе с мокрым поддоном. Улучшение управляемости и устойчивости транспортного средства. Центр тяжести автомобиля можно снизить, установив (обычно очень тяжелый) двигатель ниже в шасси благодаря мелкому профилю поддона. Можно изменить общую развесовку автомобиля, разместив внешний масляный резервуар вдали от двигателя. Улучшенный контроль температуры масла. Это связано с увеличенным объемом масла, обеспечивающим сопротивление тепловому насыщению, расположением масляного резервуара вдали от горячего двигателя и возможностью установки системы охлаждения между насосами-уловителями и масляным резервуаром, а также внутри самого резервуара. Улучшение качества масла. Когда масло ударяется о коленчатый вал и другие быстро вращающиеся детали, это создает "ураган, который в мокром поддоне двигателя взбивает масло в пену, как молочный коктейль в блендере". Аэрированное масло гораздо менее эффективно защищает компоненты двигателя. Сухая система смазки минимизирует аэрацию масла, а также более эффективно удаляет воздух из масла, сначала перекачивая его в удаленный резервуар. Увеличение мощности двигателя. В двигателе с мокрым поддоном выброс масла на вращающиеся детали вызывает значительное вязкое сопротивление, что приводит к паразитным потерям мощности. Сухая система смазки удаляет масло из картера, устраняя возможность такого вязкого сопротивления. Более сложные сухие системы смазки могут откачивать масло из других областей, где оно может скапливаться, например, из механизма газораспределения. Мощность можно дополнительно увеличить, если сухая система смазки спроектирована для создания вакуума в картере, что снижает сопротивление воздуха (или "ветровое сопротивление") движущимся частям. Повышенная эффективность насосов для поддержания подачи масла в двигатель. Поскольку насосы-уловители обычно устанавливаются в самой низкой точке двигателя, масло поступает во впуск насоса под действием силы тяжести, а не поднимается в него, как в системе с мокрым поддоном. Кроме того, насосы-уловители могут быть сконструированы так, чтобы быть более устойчивыми к захваченным газам, чем обычный насос под давлением, который может потерять всасывание при смешивании слишком большого количества воздуха с маслом. Поскольку насос под давлением обычно расположен ниже внешнего масляного резервуара, он всегда имеет положительное давление на всасывании независимо от сил, возникающих при поворотах. Размещение насосов вне двигателя облегчает их обслуживание или замену.

A dry sump system offers many advantages over a wet sump. The primary advantages include:
Prevention of the engine experiencing oil starvation during high g loads when oil sloshes, which improves engine reliability. Most engines can be damaged by even brief periods of oil starvation. This is the reason why dry sumps were invented, and is particularly valuable in racing cars, high performance sports cars, and aerobatic aircraft that regularly experience high accelerations. Oil slosh occurs in dry sump systems too, but it is much easier to design a remote reservoir to tolerate high amounts of slosh, by being tall and narrow, and having large baffles. Increased oil capacity by using a large external reservoir, which would be impractical in a wet sump system. Improvements to vehicle handling and stability. The vehicle's center of gravity can be lowered by mounting the (typically very heavy) engine lower in the chassis due to a shallow sump profile. A vehicle's overall weight distribution can be modified by locating the external oil reservoir away from the engine. Improved oil temperature control. This is due to increased oil volume providing resistance to heat saturation, the positioning of the oil reservoir away from the hot engine, and the ability to include cooling capabilities between the scavenger pumps and oil reservoir and also within the reservoir itself. Improved oil quality. When oil sloshes against the crankshaft and other high speed spinning parts, it causes a "hurricane that whips the oil in a wet sump engine into an aerated froth like a milkshake in a blender". Aerated oil protects engine components far less effectively. A dry sump system minimizes oil aeration, and also de aerates oil far more effectively by pumping it first into a remote reservoir. Increased engine power. In a wet sump engine, oil slosh against spinning parts causes substantial viscous drag which creates parasitic power loss. A dry sump system removes oil from the crankcase, along with the possibility of such viscous drag. More complex dry sump systems may scavenge oil from other areas where oil may pool, such as in the valvetrain. Power can be further increased if the dry sump system is designed to create a vacuum inside the crankcase, which reduces air drag (or 'windage') on moving parts as well. Improved pump efficiency to maintain oil supply to the engine. Since scavenge pumps are typically mounted at the lowest point on the engine, the oil flows into the pump intake by gravity rather than having to be lifted up into the intake of the pump as in a wet sump. Furthermore, scavenge pumps can be of a design that is more tolerant of entrapped gasses than the typical pressure pump, which can lose suction if too much air mixes into the oil. Since the pressure pump is typically lower than the external oil tank, it always has a positive pressure on its suction regardless of cornering forces. Having the pumps external to the engine makes them easier to maintain or replace.