Исследования
показывают, что более половины общего количества неполадок, возникающих
в процессе эксплуатации, связано с работой системы смазки и с качеством
масел.
Условия, влияющие на работу системы, можно разделить на две группы. К
первой отнесем климатические и дорожные условия (время года и
температуру окружающего воздуха, городскую или загородную езду, характер
покрытия дороги и т. д.), а ко второй – режимы работы автомобиля и
двигателя: неустановившиеся – пуск и прогрев, разгон и торможение;
установившиеся – движение с постоянной скоростью при постоянной
нагрузке.
Легковые автомобили большую часть времени эксплуатируются в городах и
других населенных пунктах, где короткие по продолжительности поездки
чередуются с длительными по времени стоянками. Исследования выявили
любопытную картину: 95% двигателей не достигают оптимальной температуры в
течение 90% времени их работы (!). Кроме того, отмечено, что время
работы при оптимальном температурном режиме (70оС и выше) в городских условиях больше, чем за городом.
Любопытны и результаты, к которым привело изучение общего характера
движения: режимы разгона занимают 54–59, режимы торможения 31–35,
установившиеся режимы 15–20% всего времени работы автомобиля. При
эксплуатации только в городе неустановившиеся режимы доходят до 95–98%.
Из этих данных отметим два важных для нас вывода: большая часть
автомобилей эксплуатируется при недостаточной температуре двигателя;
основной режим его работы – неустановившийся.
Теперь перейдем к системе смазки.
Наиболее нагруженными деталями в двигателе являются коренные и шатунные
подшипники коленчатого вала, поэтому проходные сечения каналов выбирают
такими, чтобы до 70% масла, подаваемого насосом, направлялось к этим
подшипникам. По мере износа двигателя доля его может возрасти до 96%,
так как расход масла через подшипники пропорционален в кубической
степени зазору в них.
Для нормальной подачи масла ко все трущимся поверхностям необходимо,
чтобы оно легко проходило через фильтрующий элемент и каналы системы.
Эта способность характеризуется так называемой прокачиваемостью масла,
которая, в свою очередь, зависит от его вязкости при рабочей
температуре. Слишком вязкое с трудом идет по каналам, а маловязкое почти
все вытекает через зазоры подшипников коленчатого вала. В обоих случаях
детали, расположенные вдали от насоса (например, газораспределительного
механизма), испытывают масляное голодание.
Однако вязкость масла не постоянна. Она зависит от ряда факторов, и в
первую очередь от температуры. Как видно из приведенного здесь графика,
масло высокой вязкости имеет большую разницу величин при рабочей и
исходной температурах (температуре пуска холодного двигателя). У
маловязких масел эта разница невелика, и их вязкостно-температурная
характеристика имеет пологую зависимость. Но вязкость такого масла при
рабочей температуре недостаточна.
График вязкостно-температурной зависимости масел: 1 – масло
относительно высокой вязкости; 2 – загущенное масло; 3 – маловязкое
масло. Тисх – температура масла при пуске двигателя; Траб – рабочая
температура масла.
Понятно, для надежной смазки двигателя необходимо масло небольшой
вязкости при пусковой температуре и достаточно большой при рабочей.
Такой характеристикой (кривая 2 на графике) обладают загущенные масла,
получаемые из маловязких добавлением специальных присадок. Они-то
выбраны и рекомендованы заводами-изготовителями двигателей для
постоянного применения.
Теперь рассмотрим процессы, которые протекают в системе смазки во время работы двигателя.
Начнем с его пуска. До этого момента во время стоянки масло из системы
смазки вытекает через зазоры в подшипниках коленчатого и
распределительного валов, а также из маслоприемника. Чем дольше стоянка,
тем меньше масла остается в масляных каналах двигателя. Поэтому при
пуске некоторое время уходит на то, чтобы насос забрал масло из картера
двигателя и заполнил их. В этот период трущимся парам двигателя
приходится работать без достаточной смазки – в режимах полусухого или
полужидкостного трения.
Во время прогрева двигателя при низких температурах окружающего воздуха
густое масло не полностью заполняет впадины шестерен масляного насоса, с
трудом проходит через фильтр, из-за чего количество масла в магистрали
оказывается недостаточным. В особенно неблагоприятных условиях работают
детали цилиндро-поршневой группы и газораспределительного механизма.
Данные исследований свидетельствуют, что смазка к верхней части поршня,
даже при положительной температуре пуска (+25оС) и нормальных
оборотах холостого хода, может поступить лишь через несколько минут
(!). Все это повышает износ деталей двигателя.
Хочется еще раз отметить, что загущенные масла, которые обладают
хорошими вязкостно-температурными характеристиками, быстрее попадают в
необходимом количестве к деталям, и это сводит к минимуму их износ в
процессе пуска и прогрева двигателя, особенно зимой.
Немаловажно для снижения износа двигателя поддерживать в системе смазки
определенное давление (оптимальное – 0,25–0,3 МПа). В процессе
испытаний двигателей было установлено, что с уменьшением давления
температура антифрикционного слоя вкладышей возрастает и одновременно
снижается вязкость масляной пленки, поскольку уменьшается количество
прокачиваемого через них масла. При повышенных давлениях также
наблюдалось ускорение износа, что связано с возрастанием кратности
циркуляции масла, а вместе с ним и попадающих в него абразивных частиц
(продукты износа, частицы нагара и пр.). На износ деталей
цилиндро-поршневой группы повышение давления в системе смазки
практически не влияет, так как эти детали смазываются масляным туманом,
образующимся в картере.
Теперь о влиянии неустановившихся режимов работы двигателя на условия
смазки. Рассмотрим два случая: изменение нагрузки при постоянных
оборотах коленчатого вала и изменение оборотов при постоянной нагрузке.
В первом случае увеличатся максимальные давление цикла и быстрота
нарастания давления. Все это приведет к нарушению толщины масляной
пленки в подшипниках коленчатого вала; усилится прижатие его шеек к
подшипникам, радиальный зазор в наиболее нагруженной части подшипников
уменьшится, а количество подаваемого масла останется неизменным.
Результат – масляное голодание в подшипниках и усиление износа. Если при
этом между парами трения будут находиться абразивные частицы, износ
намного ускоряется.
При увеличении оборотов (второй случай) процесс сгорания топлива в
большей степени распространяется на такт расширения и повышает
температуру деталей цилиндро-поршневой группы и клапанов. Это приводит к
загрязнению отложениями цилиндров и поршней и усилению их износа.
Осыпающиеся частицы этих отложений попадают в масло и при плохой
фильтрации (например, открыт перепускной клапан масляного фильтра по
причине загрязнения) повышают износ деталей двигателя.
До сих пор мы рассматривали процессы в системе смазки, влияющие на износ двигателя. А что происходит с самим маслом?
Побочным результатом действия системы смазки, отрицательно влияющим на
долговечность двигателя, является, как известно, образование различных
отложений на поверхности деталей. К ним относятся нагар, лаки, осадки.
Нагар, образующийся на поверхностях головок поршней, камер сгорания и
впускных клапанов, как правило, черного цвета – продукт неполного
сгорания топлива и термического разложения, окисления и полимеризации
углеводородов масла, а также пыль, проникающая с воздухом в цилиндры.
Отслаивающиеся в процессе работы частицы нагара, очень твердые,
усиливают абразивный износ деталей двигателя.
Другой вид отложений – лаки – продукты, получающиеся из масла в
результате его термического окисления, образуют на металлических
поверхностях пленки – бесцветные в тонком слое и черные с коричневым
оттенком при увеличении толщины. Из-за высокой липкости эти пленки
задерживают на себе пыль и продукты износа двигателя, что также приводит
к усилению износа деталей.
При работе двигателя на богатых смесях (мощностные режимы и некоторые
режимы частичных нагрузок) влияние неполноты сгорания топлива на нагаро-
и лакообразование весьма существенно. Нагар увеличивается и при
неправильной регулировке карбюратора и при перегрузке двигателя. То же
можно сказать и в отношении лаков.
Следует здесь напомнить и об осадках – продуктах взаимодействия
картерных газов с маслом. Прорывающиеся с горячими картерными газами
водяные пары омывают сравнительно холодные стенки картера, клапанной
крышки и других деталей, конденсируются и смешиваются с маслом. В
присутствии воды окисленные продукты износа или коррозии образуют мыла,
плохо растворимые в масле, которые при невысокой температуре выпадают в
виде шлама. Мыла стабилизируют водо-масляную эмульсию, в результате чего
образуется студнеобразная масса, в состав которой, кроме воды и масла,
входят пыль, продукты износа и старения масла и т. п. Осадки забивают
масляные каналы, сетку маслоприемника, фильтр тонкой очистки, из-за чего
уменьшается подача масла к трущимся деталям.
Наиболее интенсивно осадки образуются при нагреве и остывании
двигателя, особенно осенью и зимой. Заметим также, что пуск после
длительных стоянок и нагружение плохо прогретого двигателя всегда
способствуют усиленному прорыву картерных газов. Поэтому, чтобы
предупредить образование большого количества осадков, нужно устранить
причины появления воды в масле – длительную работу на холостом ходу,
движение с непрогретым двигателем и т. п., не говоря уж о том, что ее не
должно содержать заливаемое свежее масло.
С целью уменьшить образование нагара, лаков и осадков в масла при их
изготовлении добавляют специальные присадки, в том числе моющие, которые
очищают детали от этих отложений. Однако при длительном хранении они
могут выпадать в осадок, особенно при контакте с водой. Такие масла
нельзя применять не только потому, что концентрация их в основном объеме
снижена, но и потому, что осадки, если их влить в двигатель вместе с
маслом, дадут при сгорании зольные отложения, усиливающие износ деталей
цилиндро-поршневой группы и клапанного механизма.
Из всего сказанного следует, что существует ряд причин, по которым
количество и качество масла, подаваемого к деталям двигателя, не всегда
соответствует предъявляемым к нему требованиям. Чтобы исключить или по
крайней мере снизить влияние тех из них, что зависят от нас, достаточно
выполнять рекомендации, приведенные в руководстве по эксплуатации
автомобилей, и учитывать изложенные здесь сведения.
