Факторы влияния на показатели механического трения в поршневых ДВС

Эксплуатационное состояние двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и граничные условия его работы оказывают определяющее воздействие на характеристики трения. В процессе работы механизмов возникают сложные гидродинамические и трибологические процессы, определяющие общую эффективность силовой установки. Ниже приведен детальный анализ ключевых параметров, влияющих на потери на трение в узлах агрегата.

Процесс обкатки и приработки механизмов ДВС. В течение первых часов эксплуатации происходит адаптация фрикционных пар в индивидуальных точках скольжения, что сопровождается сглаживанием микронеровностей поверхностей. Данный процесс, известный как обкатка, неразрывно связан с определенным уровнем естественного износа, который временно увеличивает общие потери на трение. Скорость стабилизации геометрии деталей варьируется для различных сопряжений в зависимости от их нагруженности.

В современных автомобильных двигателях процесс первичной приработки завершается примерно через 20–30 моточасов. Однако в специфических случаях для достижения константного уровня трения может потребоваться более 100 часов работы. Установившийся режим сохраняется до момента исчерпания ресурса компонентов, после чего наблюдается повторный рост коэффициента трения из-за критического износа.

Влияние вязкости смазочных материалов. Вязкость масла является критическим параметром, определяющим условия в зоне контакта за счет изменения сил сдвига. При неизменных внешних условиях использование смазочных материалов с различными вязкостными характеристиками ведет к трансформации фрикционного состояния системы. Снижение вязкости уменьшает несущую способность смазочного слоя, что неизбежно ведет к сокращению толщины масляной пленки.

Подобное истончение слоя смазки способствует интенсификации прямого контакта микровыступов твердых тел в зоне смешанного трения. Итоговый результат зависит от доминирующего режима: трение снижается, если преобладает гидродинамическая составляющая, или растет при резком увеличении площади фактического контакта. На рисунке ниже продемонстрировано поведение различных масел при фиксированной частоте вращения.

Рис. 9-3. Влияние вязкости масла на показатели трения

В узлах газораспределительного механизма (ГРМ) снижение трения при использовании маловязких масел фиксируется преимущественно при низких температурах. В высокотемпературных режимах, напротив, наблюдается рост потерь из-за перехода к условиям граничного или смешанного трения. Эти процессы также влияют на систему смазки, корректируя давление и объемный расход масла, потребляемый масляным насосом.

Температурный режим и тепловое состояние. Рабочая температура двигателя, включая тепловое состояние компонентов, масла и охлаждающей жидкости, прямо коррелирует с потерями на трение. Основными факторами здесь выступают температурная зависимость вязкости и изменение рабочих зазоров в сопряжениях вследствие термического расширения. На графике ниже представлены зависимости при варьировании температуры теплоносителей в диапазоне от 0 до 120 °C.

Рис. 9-4. Влияние температуры рабочих жидкостей на трение

Экспериментальные данные показывают, что при температуре жидкостей около 20 °C потери на трение вдвое превышают показатели прогретого двигателя (90 °C). Данный феномен является ключевой причиной повышенного расхода топлива в фазе холодного пуска и при кратковременных поездках. Поддержание оптимального теплового баланса критически важно для минимизации паразитных нагрузок в двигателе.

Влияние рабочего режима: частота вращения и нагрузка. Рабочая точка двигателя определяется сочетанием двух параметров: частоты вращения коленчатого вала и нагрузки. Рост оборотов приводит к пропорциональному увеличению скоростей скольжения во всех трибологических парах компонентов. Увеличение же нагрузки на двигатель запускает ряд взаимосвязанных физических процессов, влияющих на общую механическую эффективность.

Рост нагрузки сопровождается повышением давления газов, что увеличивает боковые силы поршня, давление поршневых колец и нагрузку на подшипники. Также возрастают усилия, необходимые для открытия выпускных клапанов в условиях высокого противодавления. Локальный перегрев компонентов может провоцировать микродеформации, дополнительно изменяя условия смазки в критических зонах.

Высокие нагрузки вызывают локальное повышение температуры смазочного материала, что трансформирует режим трения в конкретных узлах. Кроме того, может изменяться мощность, потребляемая приводом топливного насоса высокого давления (ТНВД) в дизельных или инжекторных системах. Взаимосвязь этих факторов для бензинового двигателя с искровым зажиганием (SI engine) детально отражена на следующей схеме.

Рис. 9-5. Взаимосвязь между трением, нагрузкой и частотой вращения двигателя

Анализ экспериментальных данных. Доминирующим параметром, определяющим потери, остается частота вращения: трение неуклонно растет с увеличением числа оборотов. При умеренных скоростях вращения нагрузка оказывает лишь незначительное влияние на суммарные потери, так как различные эффекты компенсируют друг друга. Однако на низких оборотах (порядка 1000 об/мин) наблюдается рост трения при увеличении нагрузки из-за высоких боковых сил поршня.

Интересно, что при высоких частотах вращения трение может даже снижаться при росте нагрузки. Это объясняется повышением температуры масла на зеркале цилиндра при высокой мощности, несмотря на стабильность температуры в основном масляном контуре. Также важную роль играет частичная компенсация сил инерции движущихся масс силами давления газов, что разгружает основные узлы.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ричард ван Бассхейзен, Фред Шефер

Источник: Руководство по двигателям внутреннего сгорания

Данные публикации будут полезны студентам автотехнических и машиностроительных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам в области двигателестроения, специалистам по ремонту и обслуживанию ДВС, а также всем, кто интересуется современными технологиями газораспределительных механизмов.