Мастер-класс. Поговорим о присадках

Как было хорошо лет пятнадцать тому назад... В автомагазинах стояли, да и то далеко не всегда, три-четыре вида моторного масла, флакончик с тормозной жидкостью типа «Нева» или «Томь», пара видов шампуней. А сейчас? Список наименований препаратов автохимии превышает три сотни! Можно ли во всем этом разобраться?

Как было хорошо лет пятнадцать тому назад... В автомагазинах стояли, да и то далеко не всегда, три-четыре вида моторного масла, флакончик с тормозной жидкостью типа «Нева» или «Томь», пара видов шампуней. А сейчас? Список наименований препаратов автохимии превышает три сотни! Можно ли во всем этом разобраться?

Если с назначением и механизмом действия большинства препаратов все более-менее понятно — шампуни моют, полироли придают блеск, очистители очищают, октан-корректоры — корректируют октановое число, то всякого рода «кондиционеры металлов», «модификаторы трения» и другие аналогичные препараты зачастую остаются своеобразным «котом в мешке».

А ведь реклама этих продуктов автохимии обещает просто чудеса! Растет мощность двигателя, снижается расход топлива, падает токсичность. Да что там... Оказывается, всего за 60 — 70 рублей, влив чудо-препарат в двигатель, вы даете вторую жизнь своему железному коню. Как просто! Как быстро! И «капиталка подождет»... Но так ли это на самом деле?

Чего же реально можно ожидать от обработки двигателя автомобиля этими препаратами, условно названными нами «восстанавливающими антифрикционными присадками в моторное масло»? Мы сознательно не будем ссылаться на конкретные торговые марки.

Общим для всех этих препаратов является принцип воздействия на двигатель — формирование защитных слоев на поверхностях деталей трения. Как и за счет чего слои формируются — об этом можно прочитать в предыдущих публикациях. Итак, слой сформирован. Чего же можно ожидать от двигателя?

В цикле статей специалисты по рабочим процессам и трибологии двигателя ответят на наиболее распространенные вопросы, задаваемые продвинутыми и любознательными автолюбителями.

Каков механизм воздействия препаратов на потери трения в двигателе?

Это один из самых сложных и интересных вопросов в теории трибологии (науке о трении и износе) двигателя. В рекламных проспектах абсолютного большинства масляных присадок можно прочитать интересную фразу: «...после обработки коэффициент трения в двигателе падает в три (пять, десять, сто и т.д.) раз!».

Попробуйте заглянуть в любой учебник по теории ДВС и узнать там, что такое коэффициент трения двигателя, и вы убедитесь, что ни в классической, ни в современной теории ДВС такого понятия просто нет! Даже из простого справочника по общему машиностроению можно узнать, что для каждой пары трения, состоящей из различных материалов, которых в ДВС несколько десятков, коэффициент трения разный. Поэтому говорить можно не о коэффициенте трения, а суммарной мощности механических потерь двигателя.

Здесь нам придется сделать некоторый экскурс в теорию ДВС и общую трибологию, поскольку без этого механизм влияния масляных антифрикционных присадок понять невозможно.

Так что же такое «механические потери» двигателя и каковы их составляющие? Под мощностью механических потерь двигателя понимается мощность, необходимая для преодоления всех сил трения и привода всех агрегатов двигателя в заданном скоростном и нагрузочном режиме. По сути, это разность между мощностью, полученной от сгорания топлива в цилиндре (индикаторная мощность), и мощностью, снимаемой с двигателя (эффективная мощность). В частности, в режиме холостого хода индикаторная мощность равна мощности механических потерь.

Основными составляющими механических потерь двигателя являются потери трения в цилиндропоршневой группе — трение поршневых колец и тронки поршня о поверхность цилиндра. В зависимости от режима работы и конструкции двигателя эта составляющая выражается 40 — 75% от всех потерь трения. Вторая по значимости составляющая — трение в подшипниках коленчатого вала, исчисляющееся цифрой 10 — 15% от механических потерь. Далее — потери (5 — 15%) на привод механизма газораспределения двигателя — трение и преодоление сопротивления газов и клапанных пружин на тактах газообмена (выпуска и впуска).

Около 10% забирает на себя привод вспомогательных агрегатов — масляного насоса, помпы, генератора и вентилятора системы охлаждения. Ранее в состав механических потерь включали так называемые «насосные потери», то есть мощность, необходимую для прокрутки двигателя на тактах газообмена. Сейчас эту составляющую чаще заранее исключают из индикаторной мощности.

Вводится понятие механического кпд двигателя — это отношение эффективной мощности к индикаторной. В зависимости от режима работы параметр меняется от нуля для режима холостого хода до максимума в режиме номинальной мощности.

Максимальное значение механического кпд зависит от конструкции двигателя. Так, для высокооборотного бензинового ДВС он редко превышает 0.72 — 0.75, для автомобильного дизеля грузового автомобиля — 0.82 — 0.84. Для малооборотного судового дизеля механический кпд может превышать 0.9.

Мощность механических потерь сильно зависит от частоты вращения коленчатого вала, точнее, от скорости поршня — практически по квадратичной формуле: чем выше обороты, тем больше трение; от нагрузки при постоянных оборотах коленчатого вала они зависят мало.

Таким образом, до 30% мощности наиболее распространенного класса двигателей — бензиновых автомобильных — в номинальном режиме теряется на преодоление трения. Эта цифра может быть опорной для оценки эффективности действия присадок.

На какие же составляющие трения может повлиять обработка двигателя масляной присадкой?

Очевидно, что после обработки мощность привода генератора, масляного насоса, помпы, вентилятора, а также насосные потери двигателя и основная составляющая потерь на привод механизма газораспределения не изменяются. Стало быть, остаются потери трения в цилиндропоршневой группе и подшипниках коленчатого вала двигателя. Однако, как следует из вышеприведенных цифр, сумма этих составляющих может доходить до 80 — 85% от всей мощности механических потерь. Именно на эту группу потерь трения и влияют масляные присадки.

Кстати, мы сразу получаем предельную теоретически достижимую цифру возможного эффекта роста мощности двигателя — ведь даже если мы полностью уберем трение в ЦПГ и подшипниках (что, конечно же, невозможно), повышение мощности не может превысить 20 — 24%.

Теперь следующий вопрос, касающийся теории трибологии двигателя: а какой механизм трения реализуется в сопряжениях цилиндропоршневой группы и подшипников коленчатого вала?

Общая трибология рассматривает возможность трех механизмов трения. Первый, известный всем из курса общей школьной физики, — сухое или ювенильное трение, то есть трение при непосредственном контакте двух шероховатых поверхностей. Сила трения в этом случае пропорциональна действующей нагрузке F_н, коэффициент пропорциональности и называется коэффициентом трения f_тр:

F_тр = f_тр· F_н

Второй механизм трения — так называемое граничное, или полусухое трение. Это также трение при непосредственном контакте шероховатых поверхностей, но между ними имеется слой смазки, толщина которого меньше средней высоты шероховатостей. Зависимость силы трения от внешней нагрузки укладывается в вышеприведенную формулу, но коэффициент трения существенно меньше.

Как для первого, так и для второго механизма трения наблюдается принципиальная зависимость коэффициента трения от состояния поверхности — чем грубее поверхности, чем выше высота микронеровностей, тем больше коэффициент трения.

Третий возможный механизм трения — жидкостное или гидродинамическое трение. В этом случае две поверхности, образующие пару трения, разделены слоем смазки, толщина которого как минимум на порядок больше высот микронеровностей. Сила трения при жидкостном режиме смазки определяется согласно закону Ньютона (в интегральной или осредненной форме):

F_тр = m·S·V / h,

где: m — коэффициент динамической вязкости масла; S — площадь соприкосновения трущихся поверхностей; V — скорость перемещения трущихся поверхностей; h — толщина смазочного слоя.

Как видно из этой формулы, прямой зависимости силы гидродинамического трения от нагрузки нет, однако она скрыта во влиянии внешнего усилия на толщину смазочного слоя и вязкость смазочного масла. При прочих равных условиях сила гидродинамического трения на два порядка меньше трения граничного и сухого.

Таким образом, впрямую состояние поверхностей на силу гидродинамического трения не влияет, и понятия «коэффициент трения» в этом случае ввести нельзя.

Очевиден и естественный критерий перехода от полусухого трения к гидродинамическому — это толщина смазочного слоя. Вводится параметр критической толщины смазочного слоя h_кр. Если толщина слоя меньше критической, непрерывный слой смазки разрушается и начинает работать механизм полусухого трения, и наоборот. Обычно величину h_кр связывают с состоянием поверхностей пары трения через среднюю высоту шероховатости h_ш:

h_кр = 3 мкм + h_ш

Таким образом, чем грубее поверхность, тем быстрее наступает переход от гидродинамического к граничному трению.

Вернемся к двигателю. Для узлов трения ДВС в разных ситуациях могут иметь место все три режима трения. Однако сухое трение характерно только для цилиндропоршневой группы и подшипников распределительного вала на режимах холодного пуска. В нормальных режимах работы все узлы двигателя должны испытывать только гидродинамическое трение. Более того — это условие ставится как обязательное при создании двигателя. И только в верхней части гильз цилиндров, в точках остановки поршня на некоторых режимах работы, допускается кратковременное нарушение слоя смазки. Общая длина этих участков не должна превышать 10 — 15% от общей продолжительности рабочего цикла двигателя. Если к тому же учесть, что зоны граничного трения образуются только вблизи мертвых точек двигателя, где скорость поршня минимальна, то общий вклад этих режимов в мощность механических потерь невелика. В таком случае формула сухого трения не имеет смысла и говорить о «коэффициенте трения двигателя» просто безграмотно.

Таким образом, для хорошо приработанного мотора, не имеющего заметного износа, состояние поверхностей трения мало влияет на мощность. Исключение составляют наиболее тяжелые режимы — номинальной мощности и полной нагрузки — при низких частотах вращения коленчатого вала, где возможно частичное нарушение гидродинамики сопряжений.

В чем же тогда дело — ведь влияние масляных присадок на мощность механических потерь действительно отмечается? Все дело в износе. В процессе эксплуатации двигателя на рабочих поверхностях образуются так называемые «дефекты трения» — царапины, борозды, повреждения покрытия антифрикционного слоя.

Наличие этих дефектов сильно влияет на процесс формирования смазочного слоя. Для объяснения явления рассмотрим, за счет чего образуется смазочная пленка в подшипнике или под кольцом.

Для образования смазочного слоя необходимо наличие эффекта глиссирования одной поверхности относительно другой. Этот эффект обеспечивает формирование в паре трения подъемной силы, воспринимающей внешнее усилие. Три основных условия определяют возможность возникновения и величину подъемной силы — наличие относительного движения поверхностей, вязкого смазочного материала в паре трения и определенного положительного угла между этими поверхностями — «угла атаки». Суммарная гидродинамическая сила будет определяться площадью поверхности трения, на которую действует гидродинамическое давление, а также законом распределения давления.

И вот именно закон распределения гидродинамического давления определяется состоянием поверхности трения. Любой значительный дефект трения (достаточно, чтобы его глубина была больше 20 — 30 мкм, то есть средней толщины смазочного слоя) приводит к локальной потере несущей способности пары трения (см. рисунки) и, следовательно, уменьшению толщины смазочного слоя. Это, в свою очередь, увеличивает силу трения и приближает критическую зону перехода режима жидкостного трения в полусухое (рис. 1).

Отсюда можно сформулировать основные принципы влияния восстанавливающих препаратов на механические потери двигателя.

Уменьшение высот микронеровностей поверхностей пар трения «цилиндр — поршневое кольцо», «цилиндр — тронк поршня», «шейка вала — вкладыш подшипника» уменьшает величину критической толщины смазочного слоя и либо ликвидирует, либо существенно уменьшает зону граничного трения (рис. 2).

«Залечивание» дефектов трения, оставленных предыдущей эксплуатацией двигателя, приводит к восстановлению несущей способности пар трения двигателя, увеличивая тем самым толщину смазочных слоев и уменьшая силу и мощность гидродинамического трения.

Защитный антифрикционный слой, формируемый восстанавливающими препаратами, может иметь различную структуру, но в любом случае он обеспечивает существенное снижение коэффициента полусухого и сухого трения в зонах нарушения гидродинамики в тяжелых режимах работы двигателя и в периоды пуска.

Данные стендовых испытаний полностью подтверждают сделанные выводы. Действительно, максимальный эффект снижения расхода топлива и роста мощности отмечается либо при низких, либо при высоких оборотах коленчатого вала двигателя при полной нагрузке. Как уже отмечалось выше, в этих зонах толщина смазочного слоя минимальна и критическая зона граничного трения ближе всего.

Замеры мощности трения, проводимые в ходе стендовых испытаний, показали степень влияния различных препаратов на двигатели. Так, для достаточно изношенного мотора ВАЗ-2108 снижение механических потерь после обработки доходит до 20 — 25%, для дизельного ЯМЗ-238 — до 14%.