Для якісного ремонту двигуна недостатньо знати технології ремонту, особливості його конструкції і мати необхідну техдокументації, інструмент, обладнання та вміти всім цим користуватися. Робота моториста, особливо при ремонті сучасних моторів, те саме що творчості, його дії можуть розходитися з рекомендаціями в інструкціях по ремонту. Іноді доводиться приймати нестандартні рішення і розбиратися в різного роду «високі матерії», серед яких процеси тертя займають далеко не останнє місце.
Процеси тертя відбуваються у всіх без винятку рухомих парах деталей двигуна. Як будь-який фундаментальний процес, тертя має дві іпостасі: з одного боку, без нього роботу двигуна важко уявити (взяти хоча б нарізні сполучення, які відразу ж ослабнуть), а з іншого - тертя завдає двигуну незворотної шкоди. Саме воно робить свою «чорну» справу, викликаючи знос деталей, через якого двигун потрапляє в ремонт.
Крім того, треніe виявляється причиною втрати потужності двигуна, при цьому збільшуючись з ростом частоти обертання і навантаження. Цілком очевидно, що облік факторів тертя при проектуванні, виготовленні та подальшому ремонті двигуна забезпечує підвищення зносостійкості деталей - їх здатності протистояти зміні розмірів при роботі. А тому питання, пов'язані з тертям, не залишать байдужими ні любителів потужних моторів, ні прихильників економічної їзди.
Тертя і потужність
Вплив тертя на потужність (і, відповідно, економічність) двигуна прийнято оцінювати за допомогою механічного ККД:
де Ni - так звана індикаторна (теоретична) потужність, яка не враховує втрати, Ne - ефективна (дійсна) потужність, яка визначається при випробуваннях двигуна на стенді.
Потужність Ne менше Ni на величину механічних втрат Nm. тоді:
Очевидно, в гіпотетичному випадку, коли втрати відсутні, Nm = 0, hm = 1, а потужність двигуна максимальна, тобто Ne = Ni. Насправді це неможливо - втрати в двигуні є завжди. Причому, крім втрат на тертя сполучених деталей, виділяють ще цілий ряд інших втрат:
- втрати на тертя деталей про повітря, газ або рідина. Такі втрати (їх також називають вентиляційними) виникають при русі поршнів, шатунів, обертанні коленвала;
- втрати на привід агрегатів (масляного, водяного, паливного насосів, генератора, розподільника запалювання та ін.);
- насосні втрати, що виникають при очищенні та наповненні циліндрів, коли поршні здійснюють в циліндрі так звані насосні ходи на тактах випуску і впуску.
В сумі все втрати становлять досить значну величину - на їх подолання витрачається до 20-25% потужності працюючого двигуна. Причому чим більше частота обертання, тим вище абсолютна величина втрат. Зі зниженням числа обертів абсолютне значення втрат потужності, природно, знижується, але зростає їх відносна частка. На холостих обертах вся ефективна потужність Ne йде на подолання внутрішніх втрат і hm двигуна стає рівним нулю, тобто втрати становлять 100%.
Розділити сумарні втрати на складові непросто. Зазвичай такі дані отримують при холодній прокручуванні двигуна, послідовно знімаючи з нього ті чи інші деталі і вузли. На робочих режимах навантаження на деталі КШМ і ЦПГ помітно вище, що викликає зміна вкладу окремих складових, в першу чергу втрат на тертя поршневих кілець і спідниць поршнів про циліндри. Однак в будь-якому випадку втрати на тертя сполучених деталей в двигуні становить не менше двох третин, з яких більше половини припадає на тертя поршнів і поршневих кілець.
Отже, виходить, що двигун потужністю 100 к.с. цілком міг би видати і 120 к.с. якби не втрати на тертя. Іншими словами, всередині самого двигуна прихована, як якийсь резерв, додаткова потужність. Все питання в тому, чи можна цим скористатися на практиці.
Як знизити тертя?
Очевидно, зовсім «прибрати» тертя з двигуна неможливо. Більш того, навіть значно знизити його величину виявляється досить великою проблемою. Хоча, якщо не поспішати, дещо все-таки можна зробити.
А де і коли закладається той рівень втрат на тертя, який двигун конкретного автомобіля марно «переганяє» в тепло і в кінцевому рахунку розсіює в навколишнє середовище? Чи не помилимося, якщо скажемо: ще при розробці двигуна. Дійсно, від того, наскільки грамотно сконструйований мотор, залежать його параметри, включаючи рівень втрат.
Почнемо з циліндропоршневої групи, точніше, з зусиль, що діють на поршень. Наприклад, в ВМТ, як відомо, відбувається перекладання поршня - зміна напрямку дії сил з одного боку спідниці на іншу. При цьому згоряння палива призводить до зростання сили тиску газів Р, переданої на з'єднання пальця з поршнем і шатуном. Це викликає і зростання сили тертя РТР в з'єднанні згідно з відомою формулою
РТР = KР, де k - коефіцієнт тертя.
Дивимося далі - поблизу ВМТ нижня головка шатуна переміщається на шатунной шийці в напрямку, перпендикулярному осі шатуна: фактично шатун швидко повертається на поршневому пальці. Але там різко зросла сила тертя! Значить, поршень буде прагнути повернутися на пальці разом з шатуном, з усією силою вдавлюючись спідницею в стінку циліндра.
Тут діє закон - чим більше сила тиску спідниці на стінку, тим вище і сила тертя спідниці. І тепер треба докласти чимало сил, щоб рухати поршень вниз. Коротше, затратити потужність, щоб подолати сили тертя.
Чи можна боротися з описаним явищем? Так, борються, як можуть - наприклад, зміщують вісь пальця на поршні від осі циліндра в сторону, протилежну руху нижньої головки шатуна. У цьому випадку з'являється компенсуючий розвертає: сила тиску газів діє на плече, рівне зміщення осі пальця, і прагне розвернути поршень в напрямку, протилежному «перекладання», тим самим зменшуючи тиск спідниці на стінку циліндра.
І все б добре, якби не втручалися сили інерції: поворот шатуна на шатунной шийці при опорі на палець призводить до появи на поршні додаткової бічної сили. Не відстає і сам поршень - його гальмування і прискорення поблизу мертвих точок також викликає додаткове навантаження на палець (і, відповідно, на спідницю). Причому всі ці навантаження підвищуються зі зростанням частоти обертання.
Подальші дії конструкторів зрозумілі: якщо знизити масу обертових і поступально рухомих деталей, можна зменшити сили інерції і пов'язану з ними силу тиску спідниці на стінку циліндра. Це особливо важливо для сучасних високотехнологічних двигунів. І саме ця обставина змусила в кінцевому рахунку перейти від традиційних ще в 70-х роках важких і високих поршнів і шатунів до легким ажурним конструкцій кінця 90-х - хвиля загального укорочення спідниць поршнів, зменшення довжини і діаметру пальців, довжини і перетинів стрижня шатунів прокотилася від Японії через Європу в Америку. Звичайно, не обійшлося без «жертв» - для втілення цих ідей було потрібно поліпшити і матеріали, і технологію виробництва. Однак «це було того варте».
Ще один відносно новий спосіб зниження тертя - нанесення на спідницю поршня спеціального антифрикційного покриття (частіше використовують графіт, рідше - дисульфід молібдену). Таке покриття добре працює в режимі так званого напіврідинного тертя, коли відбувається зіткнення поверхонь по вершинах мікронерівностей.
При русі поршня з великою швидкістю зниження тертя сприяє і інше рішення - спеціальний гідродинамічний мікропрофіль спідниці у вигляді мікрорезьби з кроком 0,2-0,5 мм, глибиною западин 0,005-0,01 мм і кутом профілю 165-170о. Саме так вдається домогтися «спливання» спідниці на масляній плівці.
Можливість зниження втрат на тертя закладена і в поршневих кільцях. Досвід показує, що перехід на тонкі поршневі кільця малої висоти дозволяє у високотехнологічних двигунів знизити не тільки тертя, але і такі параметри, як прорив газів і витрата масла. Саме ці переваги зумовили за останні 10-15 років поступове зменшення висоти кілець: до 1,0-1,2 мм у компресійних і до 2,0-2,5 у маслоз'ємних.
Але повернемося до тертя в інших вузлах руху. Ще одна помітна складова втрат знаходиться в газорозподільному механізмі. Справді, жорсткі пружини клапанів нелегко продавити, і чим більше зусилля, тим вище втрати потужності на привід ГРМ. Вихід один - зменшення жорсткості пружин. Але саме по собі це неможливо - на високих частотах обертання клапани будуть "зависати" в відкритому положенні. Залишається зменшити масу клапанів і штовхачів.
Саме цей шлях зниження втрат поступово реалізується з кінця 80-х років. Так, діаметр стрижнів клапанів в «двохклапанних» голівках зменшився з 8-11 мм до 6,5-8 мм, а в багатоклапанних - до 5,5-6 мм і навіть до 5 мм. До речі, перехід на багатоклапанні головки, як відомо, дозволив значно поліпшити очищення і наповнення циліндрів, знизивши тим самим насосні втрати.
Конструктори не обійшли увагою і підшипники. На зміну широким шийок і таким же вкладишів колінчастого вала прийшли вузькі - ширина підшипників на деяких двигунах зменшилася до 15-17 мм, що помітно знизило втрати на тертя.
Однак конструктивними заходами способи зниження втрат в двигунах не вичерпуються. Чимало можна домогтися правильним вибором технології виробництва, дещо можна зробити в експлуатації, а виконуючи ремонт, важливо не перевищити той рівень втрат, який був заданий виробником. Крім того, в боротьбі за зниження тертя не можна забувати і про знос деталей, щоб не втратити ресурс.