Триенето и смазването на буталата, клапаните и лагерите на коляновия вал
Триенето в лагерите и клапанният механизъм
Както споменахме по-рано, стремежът на инженерите е между всички движещи и триещи се части да бъде осигурен устойчив маслен филм, чрез който да се осъществява хидродинамично триене. За съжаление, на практика не се получава точно това. Сложният комплекс от фактори, например съчетани във „взаимоотношенията” между буталото и неговите пръстени, от една страна, и цилиндровите стени, от друга, има съществено значение в процеса на намаляване на триенето и същевременно е един от основните виновници за разходите от триене. Около 45 процента от общите загуби от триене в автомобила са от триенето на буталната пола и буталните пръстени с цилиндъра, тоест загубите в тази част на двигателя са два пъти по-големи от общите загуби в трансмисията. На практика 60 процента от триенето в двигателя се дължат на тази група, около 30 процента (22,5 процента от всички загуби от триене) – на лагерите, около 8 процента – на системата за задвижване на клапаните и 6 процента – на коляновия вал. Както ще видим, по-ниските загуби при лагерите, въпреки голямото им натоварване, се дължат на осигурената от системата пълна маслена „възглавница”, отделяща въртящите се части от неподвижните. От друга страна, поради приложените сили върху коляновия вал той е ексцентриково изместен настрани и надолу, оформяйки така наречения хидродинамичен клин, за който споменахме по-рано, като там, където налягането е най-високо, слоят изтънява, а налягането става изключително високо.
Дебелината на филма зависи основно от вискозитета на маслото. По принцип, за да се осигури достатъчно качествен филм, е необходимо увеличаване на вискозитета на маслото. От друга страна, масло с по-нисък вискозитет и съответно с ниски загуби от прилаганите сили за преодоляване на вътрешното триене подобрява ефективността, има по-дълъг живот и логично е по-подходящо при високи оборотни режими. И все пак при по-голямо натоварване на лагерите е необходимо масло с по-висок вискозитет. От казаното става ясно колко труден е балансът в общите изисквания към маслото. Температурата на маслото тук също има съществено значение, тъй като повишаването й автоматично води до намаляване на дебелината на филма. В този смисъл един топъл рестарт на двигателя например може да доведе до повече рискове от повреда на лагерите поради факта, че остатъчният филм е по-тънък, отколкото би бил при студен рестарт. Забележете, че тук става дума за рестарт след кратък период на работа, а не след продължителен престой. Поради тази причина например автомобилите, оборудвани със страт-стоп система, би било добре да бъдат зареждани с висококачествени масла, а компании като Federal-Mogul вече произвеждат лагери със специално покритие за намаляване на триенето при недостатъчна дебелина на филма. Както при тези лагери, така и при клапанните механизми от голямо значение за доброто смазване е и поляритетът на маслото и материалите, от който се определя способността на филма да се прилепва към металните части. Както повдигачите на клапаните, така и коляновият вал и неговите лагери се изработват от силно полярни материали, за да задържат по-качествено и продължително масления слой.
От своя страна маслата от Група I, II и III са средно полярни, а основната базова съставка на синтетичните – полиалфаолефините, са ниско полярни, поради което те се нуждаят от допълнителни присадки, повишаващи поляритета, каквито например са базовите масла от Група V като полиолестер (PE) и полиалкалингликол (PAG). По-високият поляритет води до полепване и натрупване на по-голямо количество масло по повърхността на материалите, което е особено важно за местата, при които има случаи на гранично смазване.
Друг важен компонент в уравнението на доброто смазване е обработката на повърхността на детайлите. Идеално полираните повърхности не са най-подходящите за осигуряване на идеално смазване – на практика микроскопичните неравности върху материала помагат за задържане на маслото към смазваните повърхности и осигуряват по-добрата му адхезия, като това е от особена важност при цилиндровите стени. Ограничаващият фактор по отношение на височината на тези неравности е дебелината на самия филм, за да не се получи директен контакт между металните части.
Вискозитетът в голяма степен определя и устойчивостта на маслото към така наречения срез на масления филм. Ако приемем, че най-близкият слой до лагера е неподвижен заради адхезията към него, а този до шийката на вала се върти с неговата скорост по същата причина, то междинните слоеве се плъзгат един спрямо друг с нарастваща скорост. По този начин молекулите в маслото се привличат една от друга и след това се отдалечават. Това действие изисква енергия, която се отделя във вид на топлина и зависи именно от вискозитета на маслото. Ако например маслото е прекалено вискозно, то ще се нагрее много силно в процеса на вътрешното триене и това може да доведе до разграждане на молекулите на базовото масло и добавките. В това отношение най-уязвими са най-дългите и най-тежките молекули в маслото, като молекулите на присадките VI (подобрителите на вискозитета) страдат от най-силна деградация в такива случаи. Ако това стане, стабилността на вискозитета при промяна на температурата ще бъде нарушена.
Докато в лагерите на коляновия вал се появяват високи стойности на подобни сили на срез, в клапанния механизъм няма такива, но пък триенето е смесено гранично/еластохидродинамично. В този случай по-подходящо би било маслото с висок вискозитет като това в трансмисиите.
Триене и износване в цилиндрите и буталата
Както казахме по-горе, основната част от триенето в двигателя се генерира между буталните пръстени и полата на буталото, от една страна, и цилиндровите стени, от друга. В повечето случаи в двигателите с вътрешно горене буталните пръстени са три – два уплътнителни и един маслосъбиращ. Конструкциите им са най-различни, но ако горните два (уплътнителните) обикновено са пластини с монолитна конструкция, то третият (маслосъбиращият) е по-дебел и се състои от две пластини, свързани със зигзагообразна пружина, имаща за цел да създаде по-плътен натиск към цилиндровите стени. Пръстените се изработват с около 10 процента по-голям диаметър от този на цилиндъра за да се използват естествените еластични сили за уплътняването към цилиндровата стена. При движението надолу маслосъбиращият пръстен, който буквално плува в масло, намалява дебелината на масления, слой създаден под буталото по време на движението му нагоре, и насочва течността към отвори в буталото, след което тя се изсипва в картера. След това намиращият се над маслосъбиращия долен уплътнителен пръстен доостъргва маслото като шпатула (затова той има специфична изострена форма), оставяйки микроскопичен по своята дебелина маслен слой, върху който се движи най-горният пръстен. На практика масленият слой над него има дебелина от 0,001 микрона, или една милионна от милиметъра (за сравнение дебелината на филма в лагерите на коляновия вал е 1-1,5 микрона).
Този пръстен е най-уязвим, защото е подложен директно на въздействието на топлината и механичното натоварване на газовете и същевременно трябва да намали в максимална степен възможността те да преминат покрай него. По тази причина той се изработва от възможно най-термоустойчиви материали, като поема част от натиска на газовете и го предава върху буталото, а така също отвежда и част от топлината към цилиндровите стени. Буталните пръстени се покрити с хром или са с термално (плазмено) отлагане на молибден, някои от тях използват и метал-керамични композити като равномерно покритие или като вложки.
Тази зона от своя страна създава изключително неблагоприятни условия и за масления слой, тъй като температурата на буталото в горната част на цилиндъра може да достигне около 160 градуса при бензиновите мотори и до екстремните 315 градуса при дизелите. Неслучайно модерни дизелови двигатели с пълнене с високо налягане, като тези на BMW и Audi, използват специални материали за буталата и сегментите и изискват масла с особено високи качества (това е така и заради по-високите нива на частиците, които навлизат в маслото). Именно заради тази част от двигателя важен елемент в маслата е наличието на противоизносни и противозадирни присадки, тъй като в горната си част пръстените преминават в режим на смесено мазане.
В този контекст е добре да споменем, че освен маслото от особена важност за доброто взаимодействие между буталата, техните пръстени и цилиндровите стени е видът на материала, от който са изработени. Коефициентът на триене между алуминиеви повърхности е много висок, поради което дори в алуминиевите блокове се поставят чугунени цилиндрови втулки или се имплантират различни сплави, намаляващи коефициента на триене (NiCaSil, AluSil и т.н.) и осигуряващи подходяща повърхност за задържане на маслото.
Процесът на смазването на пръстените и буталото дотук беше описан за тактовете с движение на буталото надолу. При хода нагоре смазването изцяло разчита на масления филм, останал при предишните ходове. Ако обаче някой от пръстените е износен или повреден, при движение нагоре върху горния пръстен се натрупва масло, което впоследствие се изхвърля при спирането на буталото и е един от основните причинители на разхода на масло. При нормално функциониращ двигател дебелината на слоя, оставен в цилиндъра, е толкова малка, че не влияе на горивния процес. При това маслото е прилепнало към стената, охладено е и не е в подходяща форма за осъществяване на горене. Разбира се, има двигатели, чиито хлабини, включително тези на лагерите, предполагат определен разход на масло при високи оборотни режими и натоварвания, като това трябва да е описано от производителя.
Типичните материали за буталата са преди всичко леки сплави, но също и чугун, сферографитен чугун или легирани стомани. По-важни за нашето повествование са покритията им, които имат за цел да намалят триенето и износването, да подобрят термичните качества и устойчивостта на детонация.
Тук също е важно цилиндровата стена да има такава повърхност, която за задържа маслото – както чрез прецизните неравности, така и посредством материалите, включително техния поляритет. В някои двигатели например се изработват своеобразни микроджобове с такава цел.
При движението на буталото в средната част на неговия ход смазването е изцяло хидродинамично. В края на ходовете обаче се създават условия за смесено смазване. Както казахме, дебелината на слоя в тази част може да намалее до 0,001 микрона (това означава един кубически милиметър масло, разпределен върху цял квадратен метър). При ходовете нагоре дебелината на филма при маслосъбиращия пръстен е по-малка от тази при предишните ходове и на практика е еднаква при отделните пръстени.
От всичко казано дотук става ясно защо износването на цилиндъра е основно в горната и долната част от хода на буталото и защо невинаги смяната на буталните пръстени при ремонт би била достатъчна за възстановяване на добрата работа на двигателя. За да се намали това триене и износване, в маслата се добавят присадки за намаляване на износването (противозадирни присадки), като ZDDP (цинкдитиофосфат), модификатори на триенето, като молибденов диалкилтиокарбамид (MoDTC), и калциеви добавки, формиращи резистивни на износване слоеве от CaCO3 които контролират състоянията на гранично смазване. Няколко примера от лабораторни тестове: при покрити с молибден чугунени бутални пръстени и чугунен цилиндър коефициентът на триене (при масло с температура от 100 градуса) е бил 0,10...0,11 без модификатори, а при добавяне на MoDTC той се намалява на 0,4...0,5. Що се отнася до разликите в крайните и средните части на цилиндъра, примерите показват, че при използване на масло от 5W-30 в краищата на хода на буталото коефициентът на триене е 0,12...0,15, а в средата е 0,02....0,03. В условия на недостиг на масло в определени зони сивият чугун играе важна роля в намаляването на триенето със смазващия ефект на така наречената графитна фаза и с масления резервоар, осигурен в графитната фаза на материала. Фактор, който спомага за износването на тези части, са и големи количества рециркулирани отработили газове (EGR), особено ако са без филтрация на саждите и водят до увеличено износване на пръстените.
Насоките в работата на конструкторите за намаляване на триенето в тази част на двигателя се състоят в нови сложни форми на буталните пръстени, намаляване на тяхната сила на натиск без загуба на качества (особено при маслосъбиращия пръстен, който има най-голямо общо съпротивление при движение) нови материали с по-нисък коефициент на триене и подходящи присадки в маслата.
Температурата на маслото
Качествените синтетични масла с достатъчно нисък вискозитет в студено време достигат много по-бързо до всички части на двигателя, които до този момент са във фаза на сухо триене. Освен това от гледна точка на охладителните способности на маслото неговата температура не е в пряка връзка с тази на охладителната система. Температурата на маслото се покачва много повече при увеличаване на оборотите, отколкото при увеличаване на натоварването. При движение с ниска скорост в задръстване например температурата на маслото започва да спада поради ниските обороти и съответно слабото триене, докато температурата на охладителната система започва да се увеличава. Точно обратното се случва, когато водачът потегли надолу по някакъв склон със студен двигател и се спуска в продължение на километри на ниски предавки – охладителната система покачва температурата си незначително за разлика от маслото. По тази причина някои фирми използват в своите двигатели топлообменници от типа масло-вода, които балансират разликите и спомагат за охлаждане и на маслото. Много от модерните двигатели са оборудвани с охладители на маслото – ясно защо предвид всичко, казано дотук.