Гидравлический удар в поршневой машине

Гидравлический удар. Общие сведения.

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, 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, так как 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 (плюс масса автомобиля, энергия которого передается через колеса в трансмиссию, и далее). 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).

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 представлена зависимость силы, которая может быть передана поршню посредством кривошипно-шатунного 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.

Последствия гидроудара. Экспертиза причины разрушения деталей двигателя.

С точки зрения разрушения деталей двигателя важно, продолжал ли двигатель работать после того, как погнулся шатун или нет. Если двигатель продолжил работу с погнутым шатуном, то при последующих после гидроудара оборотах коленчатого вала возможно:

— Соударение деформированного шатуна о нижнюю часть цилиндра. На некоторых современных двигателях минимальный зазор в этом месте настолько мал, что даже небольшой изгиб шатуна приводит к соударению, в результате чего происходит разрушение шатуна и повреждение поверхности цилиндра. При дальнейшей работе с разрушенным шатуном двигатель получает значительные повреждения.

— При деформации шатуна уменьшается расстояние между осями его головок. Уменьшается длинна шатуна, что приводит к соударению поршня о противовесы коленчатого вала при подходе к нижней мертвой точке. Минимальный зазор в данном месте на современных двигателях достаточно мал.

Вышеуказанные разрушения по причине погнутого шатуна сопровождаются значительным шумом. Но бывают случаи когда после гидроудара двигатель продолжает работать и не имеет внешних признаков неисправностей. Действительно, небольшая деформация шатуна не выдаст себя какими-то внешними проявлениями. Однако работа двигателя с деформированным шатуном недопустима по следующим причинам:

— При деформации шатуна нарушается параллельность осей его шеек. То есть нарушается параллельность поршневого пальца и шатунной шейки (и оси) коленчатого вала. В итоге поршень ходит с перекосом, шатун относительно шатунной шейки также перекошен — имеется односторонний износ шатунного вкладыша.

— При работе погнутого шатуна в его теле возникают изгибающие напряжения. В итоге велика вероятность образования на теле шатуна усталостной трещины, в результате произойдет разрушение шатуна и последующее разрушение деталей двигателя при взаимодействии вращающегося коленчатого вала с обломками шатуна и «освободившимся» поршнем.

С точки зрения экспертизы двигателя транспортной машины следует разделять гидроудар, произошедший вследствие попадание в рабочую камеру жидкостей из обслуживающих систем силовой установки (топливо, масло системы смазки, охлаждающая жидкость) и гидроудар произошедший по причине попадания воды через систему питания воздухом. В первом случае необходимо исследование причин разгерметизации системы, жидкость из которой попала в рабочую камеру в недопустимом количестве. Второй случай (попадание воды через воздухозаборник) связан с недопустимой эксплуатацией автомобиля, если автомобиль не является транспортной машиной повышенной и высокой проходимости. При попадании через воздухозаборник вода проходит через воздушный фильтр и последующие элементы системы питания воздухом. Соответственно, если двигатель при гидроударе остановился, то в воздушном фильтре и далее по системе питания воздухом будет присутствовать вода.

Отдельного рассмотрения заслуживает гидравлический удар, который вызвал лишь небольшую деформацию шатуна, после которой двигатель продолжал эксплуатироваться. Как было сказано выше, деформированный при гидроударе шатун работает не на растяжение-сжатие, как ровный, а в нем возникают еще и изгибающие напряжения. В итоге при эксплуатации двигателя с таким шатуном произойдет усталостный излом шатуна. При дальнейших оборотах коленчатого вала его взаимодействие с обломками шатуна и освободившимся поршнем вызовет значительные повреждения двигателя. Сам изогнутый шатун при этом повреждается до такой степени, что практически невозможно определить его форму до разрушения. Однако, отличить двигатель в котором ранее произошел гидроудар возможно. При работе двигателя через систему питания воздухом проходит большое количество воздуха, которое высушило воздушный фильтр и остальные элементы системы питания воздухом, соответственно воды и ее следов в впускном тракте такого двигателя не будет. Но есть другие признаки:

— Если фильтр бумажный, попадание воды и последующее ее испарение вызовет характерную деформацию и коробление гофр. Если такое удалось найти, практически можно исследование закончить и объявить причину поломки найденной. К сожалению, многие современные моторы комплектуются фильтрами из синтетики, которая на воду никак не реагирует. Тогда следов воды не будет нигде, и придется искать другие верные признаки гидроудара.

— В цилиндре над местом, где верхнее кольцо останавливается в ВМТ (верхняя мертвая точка поршня), всегда есть нагар. Поскольку деформированный шатун укорачивается, поршень в положении ВМТ опускается ниже своего прежнего нормального положения. При смещении поршня ширина кромки нагара ступенчато увеличивается, что хорошо заметно и невооруженным глазом, а величину расширения кромки нагара можно замерить обычной линейкой. Даже после обрыва деформированного шатуна ширина кромки нагара легко укажет, что пока шатун был "жив", его длина была меньше положенной.

— При гидроударе нередко вода попадает не в один, а несколько цилиндров. В соответствии с этим повреждения могут получить несколько шатунов, из которых сломается первым самый гнутый. Тогда остальные легко проверить "на глаз" — если шатун испытал гидроудар, его стержень после потери устойчивости будет иметь вид характерной "змейки" в плоскости качания.

— Когда гнется шатун, оси его отверстий теряют строгую параллельность. Перекос осей, обычно измеряемый сотыми долями миллиметра, после гидроудара настолько велик, что нередко виден даже "на глаз". Очевидно, тогда поршень начинает работать в цилиндре с перекосом. Это классический случай, признаки которого хорошо известны. У поршня на юбке будет заметно пятно контакта характерной диагональной формы. Также на поршне появится дополнительное контактное пятно, расположенное выше поршневого пальца, в то время как противоположная зона огневого пояса, наоборот, будет покрыта большим слоем нагара.

— На цилиндре, в котором работал деформированный шатун, будут ответные поршню следы: в верхней части цилиндра в месте касания поршня поясок нагара будет стерт, его кромка будет неровной, возможно, с рисками от нештатного касания поршня. Иногда ниже на цилиндре появляются также характерные блестящие следы.

— После деформации шатуна вкладыши также начнут работать с перекосом. На них появятся следы "диагонального" износа — блестящие полоски по краям.

— Осаженный на несколько миллиметров шатун и уменьшенная степень сжатия — достаточные основания для уменьшения количества поступающего в данный цилиндр воздуха. Однако форсунка подает топливо в данный цилиндр в том же количестве, что и другие форсунки в соседние цилиндры. Кроме того, с искривленным шатуном и поршневые кольца работают с перекосом. В результате топливовоздушная смесь в цилиндре с укороченным шатуном станет богаче, а нагара на стенки камеры сгорания осядет больше. Это легко увидеть после демонтажа головки блока цилиндров — более темный цвет нагара на стенках цилиндра, "схватившего" гидроудар, скажет сам за себя.

По этим признакам определяется, имел ли быть место в прошлом гидроудар на двигателе, разрушение которого произошло позже.

В ходе проведения независимой автотехнической экспертизы специалисты должны установить все факты и на основании их уже принимать решения о характере гидроудара, а именно производственный или эксплуатационный.

Жидкости и пути их попадания в рабочую камеру ДВС

Рассмотрим основные пути попадания жидкостей в рабочую камеру ДВС:

— Попадание охлаждающей жидкости через негерметичную прокладку головки блока цилиндров. При запущенном двигателе такое практически невозможно, а вот при стоянке, когда избыточное давление из рабочей камеры уходит, вполне возможно затекание жидкости в надпоршневое пространство. При прокрутке двигателя стартером при запуске происходит гидроудар. Подобный дефект прокладки ГБЦ заметно сказывается на работоспособности системы охлаждения двигателя.

— Попадание топлива в рабочую камеру через негерметичную топливную форсунку. Данные случаи встречаются крайне редко.

— Попадание жидкости из системы смазки двигателя . Масло может попасть в рабочую камеру двигателя через разрушенное уплотнение турбокомпрессора.

Перечисленные выше причины гидроудара являются следствием негерметичности систем охлаждения, питания топливом и смазки. Как правило, до гидроудара, данные неисправности оказывают заметное влияние на работоспособность двигателя и его систем.

Большинство случаев гидравлического удара происходит совсем по другой причине:

— Попадание воды (либо других жидкостей) через систему питания воздухом. Вода попадает в систему из окружающей среды через воздухозаборник вместе со всасываемым воздухом.

Данное явление происходит при преодолении водных преград. Это может быть как брод, в котором воздухозаборник погрузился под воду, так и переезд лужи на высокой скорости, при котором брызги попали в воздухозаборник.

***

По английски гидроудар будет Hydrolock

Возможен ли гидравлический удар прокручивая стартером дизельный двигатель, который уже хватанул воды?
Скорее, пострадает сам стартер, вернее бендикс — он сломается первым, как самая слабая деталь, и начнет прокручиваться.

Из-за меньшего объема камеры сгорания и отсутствия в большинстве моторов дросселирования воздуха дизели "держат гидроудар" гораздо хуже бензиновых двигателей. Образно говоря, дизель сразу отправится в нокаут.

Если вы понимаете, что гидроудар вот вот может произойти (например, пошла волна перед капотом, при прохождении брода) лучшим решением, будет экстренная остановка двигателя. Потом можно будет проделать процедуру, показанную в видео.