На полях Дзена в последнее время сильно активизировалась некая секта от авторемонта ратующая за «доработку» цилиндро-поршневой группы двигателей полированием цилиндров «на зеркало» и сверлением отверстий в юбках поршня. Я полагаю, что многим канал «Ремонт двигателя и интересное» хорошо известен. Папой этой секты и главным «теоретиком» выступает некий псевдо-инженер, канал которого также легко найти.
Данная статья посвящена одному довольно простому вопросу:
«Для чего делается перфорация юбки поршня? С какой целью? Какой результат ожидается от гидродинамической смазки?»
Эти вопросы были поставлены на названном канале и поскольку они остались без ответа, то я и решил написать эту статью, чтобы растолковать всем, кто желает разобраться в этих вопросах.
И так – поехали…
Эти алхимики дырявят юбки поршней и пилят зазубрины по кромке юбки с целью направить большее количество смазки в зазор между юбкой поршня и цилиндром. Какова цель? Цель внешне понятная – заставить поршень «плыть» юбкой по стенке цилиндра, наподобие аквапланирования. Про таковое косвенно пытался рассуждать владелец канала, но как всегда бестолково, так что едва ли кто-нибудь это понял.
Каков ожидаемый результат от превращения поршня в дуршлаг? А ожидают они снижение потерь на трение юбки поршня о стенки цилиндра и, как следствие, повышение КПД, снижение расхода масла, и прочее «счастье».
Как обстоят дела на самом деле:
1) Юбка стандартного современного поршня практически на всей длине хода поршня почти не соприкасается со стенкой цилиндра. Соприкосновении происходит только в зоне ВМТ и НМТ при перекладках поршня. На остальных участках возвратно-поступательной траектории поршень скользит по масляной плёнке [1], то есть имеет место то самое явление «гидродинамической смазки», о которой к месту и не к месту возглашает манипулятор и крестный отец секты.
2) Откуда масло на стенках цилиндра? Правильно - оно выбрасывается из шатунных подшипников коленчатого вала. Масла этого на стенках цилиндров «выше крыши», выражаясь современным языком. Масла настолько много, что для предотвращения попадания масла в камеру сгорания на поршень устанавливают специальное маслосъемное кольцо и, дополнительно профилируют второе компрессионное кольцо, чтобы оно также соскребало избыток мала.
3) Ближе к зонам реверса поршня (ВМТ и НМТ) из-за снижения линейной скорости поршня условия гидродинамического трения сменяются условиями смешанного и граничного трения. Изменение условий смазки зависит не от количества смазки, а от скорости перемещения поршня и поэтому сколько масла на поршень не подливай – ничего не изменится. В среднем доля гидродинамического трения составляет 50-55% траектории поршня, смешанного 40% и граничного 5-10% [1]. Исследования проводились в МВТУ, ЦНИДИ и на Владимирском тракторном заводе.
4) Потери на трение юбки поршня о стенки цилиндра вне зависимости от
остальных компонентов мне лично выяснить не удалось, однако
многими исследованиями показывается, что потери на трение только
лишь от работы поршневых колец составляют 40-50% [1 ; 2 и 3] от всех
потерь в двигателе (включая всё навесное оборудование, помпу,
масляный насос и пр). Таким образом, работа трения юбки поршня – это
смехотворно малая доля в общей цифре механических потерь двигателе.
Это была вводная информация, чтобы проще понималось дальнейшее.
Теперь будем рассматривать как работает поршневая группа. Примем, что средняя частота вращения коленчатого вала двигателя составляет 2000 об/мин. Можно принять и 1500 – это уж как кому больше нравится. Просто 2000 несколько удобнее считать. И так - 2000 об/мин это 2000 ходов поршня вверх-вниз за минуту или 120000 ходов в час. При таких оборотах скорость автомобиля будет составлять 50-60 км/час. Значит на100 км пути каждый поршень совершит 240000 двойных ходов!!! Ну а на 1000 км, соответственно почти два с половиной миллиона!
Я думаю, все знают, что современные поршни, в большинстве своем, имеют черное покрытие на юбке. Это антифрикционное покрытие Molykote D10, основа которого тефлон с добавлением модификатора трения – дисульфида молибдена (MoS2). Толщина покрытия Molykote D10 составляет 10-15 сотых миллиметра. Эту толщину оценить может любой человек, поскоблив уголочек покрытия бритвой. Почему я так много об этом пишу? Да потому, что если двигатель собран по правилам, если он эксплуатировался без нарушений в виде перегревов, плохого масла, фильтров и пр, то и через 250000 км пробега и даже после 500000 км черное покрытие будет на месте! Да оно будет не совсем черным, из-за уменьшения толщины и кое где у него будут проплешины, но покрытие будет! К чему это я? Да к тому, что за 250000 км пробега каждый поршень совершит 625 000000 (шестьсот двадцать пять МИЛЛИОНОВ) двойных ходов.
А теперь простой мысленный эксперимент – возьмите поршень с покрытием и потрите его просто пальцем МИЛЛИОН раз. Всего-то один миллион! Что останется от пальца и что останется от покрытия. Вы скажете - так там же в реальных условиях масло и будете правы. И именно из-за масла покрытие служит не миллион циклов, а 600 миллионом и более. Заостряю внимание – на обычном стандартном цилиндре и поршне без всяческих усовершенствований. Всё это прямо указывает, что условия трения пары поршень – цилиндр ну если не идеальны, но усилиями ученых и инженеров доведены до очень приличного уровня. Небольшое дополнение:
«при прокрутке дизеля ТМЗ-450Д мощность механических потерь при замене серийного поршня на опытный с покрытием Molykote D10 снизилась на 0,1-0,25кВт (3-6%), что привело к улучшению экономичности на 2-6г/кВт⋅ч (1-2%)» [1]. Я привел эту цитату для того чтобы было понятно, что покрытие юбки не есть какая-то панацея для улучшения двигателя. Реальный эффект от нее сокращение потерь на 1-2%
Еще в 1973 году наш ученый, инженер авиатехник Борис Яковлевич Гинцбург опубликовал труд [4] в котором изложил основы придания боковой поверхности поршня специального (овально-бочкообразного) профиля для обеспечения минимальной энергии ударов при перекладках и обеспечения гидродинамического режима трения поршня. К настоящему времени теория Гинцбурга дополнена множественными усовершенствованиями вплоть до «двухопорных» поршней [1]. Всё это делается для обеспечения пресловутого гидродинамического режима трения юбки поршня.
Каким образом обеспечиваются условия гидродинамического трения поршня? Как выше сказано масло разбрызгивается на стенки цилиндров из подшипников коленчатого вала. Цилиндры двигателей обрабатывают в процессе изготовления растачиванием резцами, и на этапе окончательной отделки производят хонингование. Хонингование это процесс чистовой отделки цилиндров вращающимися плоскими брусками, которые жестко распираются в цилиндре клиновыми устройствами. При хонинговании снимается припуск 0,02 мм (две сотых), при этом цилиндры приобретают идеально круглую форму и очень точный размер (как правило погрешность размера составляет 0,00-0,01 мм.). Неизбежным сопутствием процесса хонингования явились спиральные следы на стенках цилиндров от зерен движущихся абразивных брусков. Было замечено, что наличие этих микроштрихов способствует удержанию смазки на стенках цилиндров, что с одной стороны добавило работы маслосъемным кольцам, а с другой улучшило условия трения юбки поршня и поршневых колец (с которыми дело обстоит не столь благополучно, как с юбкой поршня). То есть уточню – то, что сектанты называют хоном, напильником и пр., является в значительной степени случайно полученным сопутствующим эффектом. Раньше и до настоящего времени функцию удержания масла на поршне возлагали на специально создаваемый микрорельеф на поверхности юбки поршня. Любой желающий этот микрорельеф может увидеть, взяв в руки новый поршень. Этот микрорельеф выглядит как довольно грубая обработка резцом. Сущность этого микрорельефа двоякая:
1) Обеспечить удержание смазки на боковой поверхности поршня, особенно в период обкатки;
2) За счет смятия при обкатке вершин микрорельефа обеспечить приспосабливаемость каждого поршня к своему конкретному цилиндру [5].
Поскольку пункт 2 не сразу понятен – разъясняю: заводскими условиями на сборку цилиндро-поршневой группы, к примеру, двигателя ВАЗ (не важно пока какого) назначен сборочный зазор 0,03 мм. (три сотки). Опять же не важно, что для какого-то мотора из семейства ВАЗ этот зазор будет чуть больше или меньше. Смысл в другом. Температура блока цилиндров при рабочем режиме составляет 90о С. Юбка поршня имеет точно такую же температуру [3 ; 6]. Если мы вложим поршень в цилиндр, расточенный под зазор 0,03 мм и нагреем блок с поршнем до температуры 90оС, то этот поршень заклинит в цилиндре намертво, поскольку алюминиевый сплав, из которого изготовлен поршень имеет коэффициент теплового расширения ровно вдвое больший, чем чугун блока. 23*10-6 против 11*10-6. Из чего следует, что при 90оС диаметр цилиндра ВАЗ 21083 вместо 82 мм станет равен 82,08 мм, а поршень примет диаметр равный 82,17 мм. Таким образом поршень окажется в цилиндре с НАТЯГОМ 0,09 мм. Это огромный натяг. Только кувалдой удастся выбить поршень. Так почему тогда поршень не заклинивает в цилиндре при работе? А потому, что микрорельеф поршня плавно и постепенно деформируется и «съедается» по мере нагрева двигателя и обкатки. Если разобрать двигатель после 1-2 тыс. км аккуратной обкатки и измерить зазор между поршнем и цилиндром, то он окажется в пределах 10-15 соток (0,10-0,15 мм.). И всем хорошо известное качание поршня в цилиндре будет точно таким же как у двигателя до капитального ремонта. Теперь надеюсь понятно, что дефектовки поршневой группы покачиванием поршней является чистой воды обманом впечатлительных пользователей.
Теперь можно проанализировать, что проповедуют сектанты с «Ремонта двигателей».
1) Полировка цилиндров. Снижает возможность масла удерживаться на зеркале цилиндра. То есть в зону трения юбка поршня – цилиндр поступает меньше масла.
2) Сверление дырок с целью увеличить количество масла в зоне трения
юбка поршня – цилиндр. То есть одной рукой закрыли смазку, чтобы другой рукой открыть. Смешно, не правда ли?
3) Дырки в юбке многие восторженные апологеты секты лепят в таком количестве, что их площадь (отверстий) составляет до половины площади опорной поверхности юбки поршня. Что получается? А получается следующее – увеличивается удельное давление боковой поверхности поршня на стенку цилиндра. Как следствие срыв масляного клина и не соблюдение условий для гидродинамического трения. То есть если до дырок зона гидродинамического трения распространялась на 50-55% траектории движения поршня, то сколько остаётся после дырявления поршня никто не знает, но точно намного меньше.
4) Не сквозные лунки и канавки в юбке поршня являются карманами,
где собираются продукты изнашивания, нагар и прочие радости.
Периодически или непрерывно эти «радости» смываются маслом в
зону трения юбка-цилиндр. Эти продукты очень мелкодисперсные,
поэтому царапин и задиров не создают, но изнашивают то, что
помягче – юбку поршня. Это чудесно видно на всех разобранных
двигателях после «усовершенствования» по сектантски.
Юбки, по выражению держателя канала, «не задраты», но от
микрорельефа на юбках не осталось и следа. Почему - надеюсь теперь
понятно. А что следует из того, что микрорельеф на юбках стёрт?
Правильно, смазка хуже удерживается на поршне и, соответственно,
страдают условия гидродинамического трения. Круг замкнулся!
Хотя есть и еще один аспект и довольно любопытный.
Съеденный микрорельеф юбки поршня обуславливает увеличение зазора между цилиндром и поршнем, а это:
- усиленные соударения при перекладках поршня (что слышно на всех «доработанных» моторах. Они грохочут, а не шелестят (постойте для сравнения рядом с Фольксвагеном, БМВ или Мерседесом);
- моторное масло, не задерживаясь на микрорельефе и следах от хона, по капиллярному эффекту тупо поднимается к кольцам. Кольца всегда в моменты перекладок поршня работают как масляные насосы, поднимая масло выше в камеру сгорания (это известно всем мастерам авторемонта) и описано во всех литературных источниках, на которые я ссылаюсь). Никакого особого научного подтверждения этому явлению не требуется. Посмотрите на поршни, вынутые из «доработанных» моторов! Они все по боковой поверхности отмыты от лака и нагара от нижней кромки юбки и до огневой поверхности. Отмыты до бела. О чем это свидетельствует? О том, что мотор расходует масло существенно больше, чем до «усовершенствования». Только повышенный расход масла почему-то никто не заявляет. То ли надеются, что придёт в норму, то ли по принципу «меня обманывать не нужно – я сам обманываться рад».
Ну вот, не очень длинно и по возможности просто постарался написать.
Одно маленькое дополнение, благодаря которому каждый желающий сможет на практике проверить справедливость всего, что тут написано. Это можно сделать при помощи точного измерения расхода топлива на холостом ходу.
Цитата из [1]:
«Если двигатель работает без внешней нагрузки (режим холостого хода, при котором эффективная мощность N e в формуле (1.1) равна нулю), топливо расходуется на выработку энергии, идущей исключительно на преодоление всех внутренних сопротивлений, т.е. механических потерь. В этом случае расход топлива на холостом ходу является показателем, в полной мере характеризующим как величину, так и поведение механических потерь ДВС.»
Использованная литература:
1 - С.В. Путинцев. «Механические потери в поршневых двигателях». Учебник. г. Москва. 2011 МГТУ им. Н.Э. Баумана.
2 – «Поршневые кольца для двигателей внутреннего сгорания». MS Motor Servise International GmbH. 2010 г.
3 – В.А.Ваншейдт. «Судовые двигатели внутреннего сгорания». Ленинград, Судостроение, 1977 г.
4 – Б.Я.Гинцбург. «Профилирование юбок поршней». Москва. Машиностроение, 1973
5 - Ю.Г.Шнейдер «Эксплуатационные свойства деталей с регулярным
Микрорельефом».-Ленинград. Машиностроение, 1982
6 - Н.Х. Дьяченко, А.К.Костин, Г.В. Мельников и др. «Теория двигателей внутреннего сгорания» Учебник. Под ред. Н.Ч. Дьяченко. Москва-Ленинград Машиностроение, 1965