Видовете смазване и начинът, по който се смазват различните части на двигателя
Видове смазване
Процесите на взаимодействие на повърхностите при движение, включващи триене, смазване и износване са плод на наука, наречена трибология, а когато става дума за видовете триене, отнасящи се до двигателите с вътрешно горене, конструкторите дефинират няколко вида смазване. Хидродинамичното смазване е най-търсената форма на този процес, а типичното място, в което то се осъществява, са основните и мотовилковите лагери на коляновия вал, подложени на доста по-големи сили на натоварване. Той се появява в миниатюрното пространство между лагера и вала под формата на клин, като достига там благодарение на маслената помпа. След това движещата се повърхност на лагера играе ролята на своя собствена помпа, която нагнетява и разпределя допълнително маслото и в края на краищата създава достатъчно дебел филм в рамките на цялото пространство в лагера. По тази причина за тези компоненти на двигателя конструкторите използват плъзгащи лагери, тъй като при минималната площ на допир на сачмения лагер ще се създаде изключително високо натоварване на масления слой. Същевременно с това налягането в този маслен филм може да надвиши това създадено от самата помпа почти петдесет пъти! На практика силите в тези части се предават през масления слой. За да се запази състоянието на хидродинамично смазване, разбира се, е необходимо системата за смазване на двигателя винаги да осигурява достатъчно количество масло.
Възможно е в даден момент под въздействие на високо налягане в определени части смазващият филм да стане по-устойчив и твърд от металните части, които смазва и дори да доведе до деформации на металните повърхности. Конструкторите наричат този тип смазване еластохидродинамично, като то може да се появи именно в гореспоменатите сачмени лагери, в колелата на зъбни предавки или пък в повдигачите на клапаните. В случай, че скоростта на движещите се една спрямо друга части стане много ниска, натоварването се повиши значително или няма достатъчно снабдяване с масло често се появява така нареченото гранично смазване. В този случай за смазването се разчита на адхезията на маслените молекули към поемащите товара повърхности, така че те да са разделени от относително тънък, но все пак наличен филм от масло. За съжаление в тези случаи винаги има опасност тънкият филм да бъде „пробит” от острите части на неравностите, поради което в маслата се добавят подходящи противоизносни присадки, които покриват трайно метала и предотвратяват разрушаването му в случай на директен допир. Хидростатичното смазване се появява под формата на тънък филм в случай че натоварването рязко смени посоката си и скоростта на движещите се части е много ниска. Тук е мястото да се отбележи, че компаниите, произвеждащи лагери, като основни мотовилкови, например Federal-Mogul разработиха нови технологии за покриването им, така че те да се справят с проблемите, явяващи се при старт-стоп системите, като износването на лагерите при честото стартиране частично „на сухо”, на което са подложени при всяко ново стартиране. За това ще стане дума по-късно. Подобно често стартиране от своя страна води до преминаването от една форма на смазване към друга и се определя като „смазване със смесен филм”.
Системите за смазване
Първите автомобилни и мотоциклетни двигатели с вътрешно горене и дори по-късните разработки, разполагали с капково „омасляване”, при което маслото изтичало в двигателя от своеобразни „автоматични” масльонки под влияние на гравитацията и след като преминавало през него, изтичало навън или изгаряло. Конструкторите днес определят тези и системите за смазване на двутактовите двигатели, в които маслото се смесва с горивото, като „смазочни системи с пълна загуба на масло” (total loss lubrication system). По-късно тези системи се усъвършенствали с добавянето на маслена помпа имаща за задача да достави маслото във вътрешността на двигателя и към (нерядко откритите) клапанни механизми. Тези помпени системи обаче нямат нищо общо с по-късните технологии на принудително смазване, които принципно се използват и днес. Помпите били монтирани навън, доставяли маслото в картера, а после то достигало до триещите се части с разплискване. Специални лопатки в долната част на мотовилките разплисквали маслото нагоре в картера и цилиндровия блок, при което излишното масло се събирало в мини вани и канали и под влияние на гравитацията и изтичало към основните и мотовилковите лагери и лагерите на разпределителния вал. Своеобразен преход към системите с принудително смазване под налягане е двигателят на Ford Model T, при който маховикът разполагал с нещо като колелото на водна мелница, което имало за цел да издигне маслото и да го достави с тръбопровод към картера на двигателя (и забележете към трансмисията) след което долните части на коляновия вал и мотовилките гребели масло и създавали маслена баня за триещите се части. Това не било особено трудно като се има предвид че разпределителния вал също се намирал в картера, а клапаните били стоящи. Силен тласък в тази насока дала Първата Световна Война и двигателите за самолети при които подобно смазване просто не вършело работа. Именно така се родили и системите използващи вътрешно разполжени помпи и смесено смазване с налягане и разплискване, приложена след това в новите и по-натоварени автомобилни мотори.
Основен компонент в тази система била задвижваната от двигателя маслена помпа, доставяща масло под налягане само към основните лагери, като останалите части разчитали на смазване чрез разпръскване. По този начин не се налагало да се оформят канали в коляновия вал, каквито са нужни при системите с изцяло принудително смазване. Последните се появили като необходимост с развитието на моторите, повишаването на оборотите и натоварването. Това означавало също че лагерите не само трябвало да се смазват, но вече и да се охлаждат.
При тези системи маслото под налягане се доставя до основните и долните мотовилкови лагери (като вторите получават масло през канали в коляновия вал) и лагерите на разпределителния вал. Огромното предимство на тези системи е факта че през тези лагери маслото на практика циркулира, тоест преминава през тях и изтича в картера. Така системата осигурява много повече масло от необходимото само за смазване и по този начин те се охлаждат интензивно. Още през двайсетте години например Хари Рикардо въвежда за първи път правило включващо циркулация от три литра масло на конска сила за час, тоест за един двигател от 60 к.с. – 3 литра циркулация на масло за всяка минута. Днешните мотори имат многократно по-голяма циркулация.
Циркулацията на масло на системата за смазване включва мрежа от канали интегрирани в корпуса и механизма на мотора, като сложността им зависи от броя и разположенито на цилиндрите и газоразпределетелния механизъм. Конструкторите отдавна предпочитат оформените в блоковата конструкция канали вместо тръбопроводи в името на надеждността и здравината на двигателите.
Задвижваната от двигателя помпа засмуква масло от картерната вана и го насочва към проточен филтър, монтиран от външната страна на корпуса. След това то поема по единична (при редовите) или двойка канали (при боксерните или V-образни двигатели), простиращи се на практика през цялата дължина на двигателя. С помощта на малки напречни канали, впоследствие то се насочва към основните лагери, като навлиза в тях през входен отвор в горната черупка на лагера. През периферен прорез в лагера част от маслото се рапределя равномерно в лагера, за да го охлади и смазва, а друга част се насочва към долния мотовилков лагер, през кос канал в коляновия вал, свързан със същия прорез. Смазването на горния мотовилков лагер на практика се оказва по-трудно, поради което горната част на мотовилката често се оформя като резервоар който има за цел да задържа маслото разплискано под буталото. При някои системи маслото достига до лагера през канал в самата мотовилка. Лагерите на буталния болт от своя страна се смазват с плискане.
По подобие на кръвоносна система
При монтиран в картера разпределителен вал, задвижван от зъбна предавака или с верига, това задвижване се смазва с директно изтичащо масло, а когато валът е монтиран в главата, задвижващата верига се смазва с контролирана утечка от масло от хидравличната система за доопъване. В мотора 1.0 Еcoboost на Ford задвижващият разпределителния вал ремък също се смазва – в случая като е потопен в маслен картер. Начинът, по който лагерите на разпределителния вал получават смазвалото масло, зависи от това дали двигателят е с долно или горно разположен вал – първите обикновено го получат с канали от основните лагери на коляновия вал, а при втория това става с канали свързани с основния долен канал или индиректно, с отделен общ канал в главата или в самия разпределителен вал, като при наличие на два вала това се умножава по две.
Конструкторите се стремят да създадат такива системи, при които смазването на клапаните да става със строго прецизиран дебит, така че да се избягва «наводняването» и утечката на масло през водачите на клапаните в цилиндрите. Допълнителна сложност се добавя и при наличие на хидравлични повдигачи. Кобилиците, гърбиците се смазват в маслена баня или с плискане с миниатюрни вани, или пък с канали подвеждащи масло от основния канал.
Що се отнася до цилиндровите стени и полите на буталата, то те напълно или частично се смазват от напускащото и разпръскващо се в картера масло от долните мотовилкови лагери. По-късоходовите двигатели се проектират така че цилиндрите им да получават повече масло именно от този източник, тъй като те имат по-голям диаметър и са по-близо до коляновия вал. В някои двигатели цилиндровите стени получават допълнително масло от страничен отвор в корпуса на мотовилката, който обичайно е е насочен към страната в която буталото упражнява по-силен страничен натиск върху цилиндъра (тази, към която буталото упражнява натиск при процеса на горене в работния ход). При V-образните двигатели е обичайно върху стените на цилиндъра да се впръсква масло от мотовилката движеща се в насрещния цилиндър, така че да бъде омаслена горната му страна, а след това то да гравитира към долната. Тук е мястото да се отбележи че при двигателите с турбокомпресор, лагерът на последният получават масло през основния маслен канал и тръбопровод. При тях обаче често се използва и втори канал който насочва поток от масло към специални дюзи насочени към буталата които имат за цел тяхното охлаждане. При тези случаи маслената помпа има доста по-голям капацитет.
При системите със сух картер маслената помпа получава маслото от отделен маслен резервоар и го разпределя по същия начин. Допълнителна помпа изсмуква сместа от масло и въздух от картера (затова тя трябва да има по-голям капацитет) която преминава през устройство за отделяне на последния и го връща в резервоара.
В системата на смазване може да се включи и радиатор за охлаждане на маслото при по натоварените двигатели (при старите мотори използващи прости минерални масла това било обичайна практика) или топлообмменик свързан с охладителната система. За това ще стане дума по-късно.
Маслени помпи и защитни клапани
Маслените помпи включващи зъбна двойка са изключително подходящи за работата на маслената система поради което се използват масово в системите за смазване и в повечето случаи се задвижват директно от коляновия вал. Друг вариант са роторните помпи. Напоследък се използват и помпи със плъзгащи се лопатки, включително във версии с променлив капацитет, като по този начин се оптимизира работата и съответно капацитета им в зависимост от оборотните режими и се намалява разходът на енергия.
Маслените системи се нуждаят от защитни клапани защото при високи обороти увеличаването на количеството, осигурявано от помпата, масло не съответства на количеството което може да премине през лагерите. Това е така защото в тези случаи в маслото на лагерите се формират силни центробежни сили, пречещи на доставката на нови количества масло в лагера. Освен това при стартиране на двигател при ниски външни температури с увеличаването на вискозитета и намаляването на луфтовете в механизмите се увеличава съпротивлението на маслото, а това води до достигане на често критични стойности на налягането на маслото. В повечето спортни автомобили се използва датчик за налягането на маслото и такъв за неговата температура.
(следва)
Текст: Георги Колев