Tribološke karakteristike motora SUS Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Mr 7x>ran Grad in. triboloSke karakteristike

pukovnik, dip), in*. TehniCki opitni сспш KoV, MOTORA SUS

Beograd

UDC: 621.434: 531.43

Rezime:

Poznato je da se intenzivno teii smartjenju potroinje goriva kod motora SUS, pre svega iz ekoloSkih razloga. To se postiie primenom raznih konstrukcionih mera, medu kojima su i postupci koji doprinose smartjenju trenja. Da bi se posligao odredeni uspeh na tom planu, neophodno je da se poznaju triboloSke karakteristike motora и celini, kao i pojedinih sklopo• va i sistema. Najveći uticaj na trenje и motoru, a time i najveći interes za izućavanje tribolo* Skih karakteristika, izazivaju klipna grupa, leiaji kolenastog vratila, sistem razvoda i sistem za podmazivanje. TriboloSke karakteristike motora treba poznavati joS и fazi konstruisanja motora. jer jedino na taj način mote da se da punt doprinos smanjenju pctroSnje goriva i iz-duvne emisije.

Ključne reči: motor SUS, mehanički gubici, tribologija motora.

TRIBOLOGICAL CHARACTERISTICS OF IC ENGINES

Summary;

Intensive research for decreasing fuel consumption of IC engines is due wainly to ecologycal reasons. The problem can be solved by applying numerous diferent design solutions, among them methods for friction decrease. In order to achieve any success in that field it is necessary to be familiar with tribological features of a complete engine and its individual parts and assemblies. The main influence on IC engine friction losses comes from the piston group, the cranckshaft bearings, the timing system and the lubrication system. Tribological characteristics have to be determined in the first stage of IC engine design, because this is the only way to give full contribution to the decreasing cf fuel consumption and exhaust emission.

Key words: IC engine, mechanical losses, engine tribology.

Uvod

Razvoj motora SUS uslovljen je raz-vojem mnogih dmgih discipline, medu kojima tribologija (nauka i tehnologija о procesima trenja, habanja i podmazivanja) zauzima vidno mesto, jer znatno doprinosi rešavanju aktuelnih problema sa gledišta efektivnosti i pouzdanosti motora.

S obzirom na to da radne karakteristike, pouzdanost i vek trajanja vitalnih detova iiiotoia u znaliioj ineri zavise od triboIoSkih procesa, predvidanje njihovih triboloških karakteristika u fazi projekto* vanja i konstruisanja od posebnog je in-teresa. Osnovni razlozi koji iniciraju zna-Cajna istraživanja u tribologiji motora SUS su [1]:

330

VOJNOTEHNlCKJ GLASNIK 3/2003.

- najveće uštede energije mogu se ostvariti pri transportu sredstava;

- visok je značaj i uticaj tribologije na ekonomičnost rada motora;

- motor SUS sadrži veliki broj tri-boelemenata;

- postoji opšta tendencija smanjenja mase motora u odnosu na snagu, sa svim posledicama na razvoj triboloških procesa.

Imajući u vidu da se od ukupno pro-izvedene energije u svetu 30% utroši na savladavanje procesa trenja, jasno je zbog čega se ova problematika razmatra u obla-sti motora. Istraživanja u tribologiji motora SUS povezana su sa smanjenjem potro-šnje goriva preko smanjenja trenja, sa po-većanjem pouzdanosti svih pokretnih komponenata i sa zaStitom okoline od za-gađenja izduvnim gasovima.

Definisanje triboloških

karakteristika motora SUS

Sa stanoviSta delova i sistema motora, što je praktičniji prilaz za većinu inže-njera konstruktora, naročito su intere-santne sledcće komponente motora: kli-zni ležajevi kolenastog vratila, klipna grupa, sistem razvoda i sistem za podma-zivanje.

Triboelementi u ovim sistemima i sklopovima obavljaju svoju funkciju pri različitim režimima podmazivanja, §to treba da bude osnovno polazište pri da-Ijim tribološkim razmatranjima.

Klizni lezaji kolenastog vratila

Pošto klizni ležaji kolenastog vratila funkcionišu u oblasti hidrodinamičkog podmazivanja, njihov proračun sa tribo-loškog stanovišta obuhvata određivanje:

debljine uljnog filma, veličine trenja, temperature ulja u ležaju i protoka ulja kroz ležaj. Sloj maziva ima sledeće funk-cije: da odvodi toplotu generisanu u leža-ju, nosi opterećenje i održava spregnute povrSine potpuno razdvojene. Otuda i osnovni značaj odredivanja debljine uljnog fllma.

Međutim, dinamička opterećenja ko-ja trpe ležaji motora SUS pri promenlji-vom broju obrtaja Čine proračun relativno složenim zadatkom. Do hidrodinamićkog trenja može doći u uiaznoj obiasti ležaja. pri čemu dolazi do habanja samo ako пета podmazivanja, kada je moguće krat-kotrajno suvo trenje. Danas postoje brojni postupci za procenu debljine uljnog filma, a njihovi rezultati pokazuju relativno do-bro slaganje sa eksperimentalnim mere-

Sl. I - Uporedni rezultati relativne debljine uljnog filma kodkliznih leiaja kolenastog vratila

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2003.

331

njima (slika 1). To dokazuje da se već da-nas u fazi konstruisanja može analizirati stanje ležaja sa gledišta podmazivanja i uticaja pojedinih faklora. Temperatura ulja u ležaju i protok ulja medusobno su zavisne veličine. Predvidanje protoka po-vezano je sa vrednošću pritiska pod kojim se ulje dovodi u ležaj i sa dozvoljenom radnom tempera turom ležaja.

Klipna grupa

Razvoj klipnih prstenova, sa gledi-Sta materijala i konstrukcije, menjao se zajedno sa opštim tendencijama smanje-nja mase motora i oscilujućih masa. Zbog toga je uočijivo smanjenje dimen-zija, ali i promena oblika radne površine klipnih prstenova. Pri tome se postavljaju zahtevi da se smanji trenje i habanje bez dcgradacije cfikasnosti zaptivanja. Isto-vremeno, iskazuje se tendencija smanje-nja zazora i potroSnje ulja, Sto rezultira i smanjenjem Stetne emisije motora.

Od upotrebljenih materijala domi-nantna je upotreba sivog liva, ali je sve prisutnije i koriSćenje čeličnih prstenova sa odgovarajućim prevlakama, i to po-sebno kod savremenih motora velikih snaga. Gubici uslcd trenja kod klipno-ci-lindarske grupe neminovno su povezani sa uslovima podmazivanja klipnog prste-na i cilindra. Kako klipni prsten može da radi u oblasti potpunog i nepotpunog podmazivanja, matematički modeli za proraCun vezaui su za hidrodinamičko i granično podmazivanje. Teorijska anali-za hidrodinamičkog podmazivanja klipnih prstenova znači primenu Rejnoldsove jednačine, sa analizom pritiska u sloju maziva (slika 2) i proraćunom debtjine sloja maziva (slika 3).

SI. 2 - Geometrija klipnogprstena ipritisak и uljnom filmu

Si 3 - Promena debljine uljnogfilma ispod klipnog prstena

Smanjenje trenja klipne grupe odlu-čujuće je za povećanje mehaničkog ste-pcna korisnosti motora, pa su islraživanja u toj oblasti vrlo intenzivna. Poscbno trc-ba ukazati na rezultate matematičkog modeliranja trenja, koji pokazuju dobro slaganje sa eksperimentalnim istraživa-njima (slika 4). To omogućava da se u fazi projektovanja motora oceni vrednost trenja i mehaničkih gubitaka.

332

VOJNOTEHNIČKIGLASNIK У200У

1. Fgruhama: *k»p*flmenttW гваАаб (puno^pt.)

2. Holt: rtfiunsU razeltaU (puno opt.)

3. Hoi«: ra£unsW razuttati (mu opf.)

Hidrodinamički podmazujući uljni film izmedu klipa i cilindra naruSava se usled naizmeničnog kretanja klipa [2], koje uključuje i zaustavljanje u mrtvim tačkama, što dovodi do stvaranja uslova graničnog podmazivanja, posebno za vreme razrade motora. Mada legura alu-minijuma i silicijuma u klipnoj gnipi ima dobre osobine, primena dodatnih prevla-ka na površini pruža još značajnije pred-nosti za vreme razrade. Koriste se tanke prevlake od metala ili grafita, a odgova-rajuće radne osobine dobijaju se upotre-bom olova i kalaja. Ove prevlake nanose se jonskom razmenom sa površmom alu-minijuma (bez električne struje) uz po-moć rastvora olova i kalaja. Pošto su oba metala plemenitija (u elektromehaničkoj seriji) od aluminijuma, oni se deponuju na površini. Aluminijum se rastvara dok se formira zatvoreni sloj olova ili kalaja na površini. Na račun njihovih prednosti pri radu u lošim uslovima, široku prime-nu u oto motorima imaju prevlake od ovih metala, čija debljina iznosi svega 1 do 2 nm [2].

Firma Mahie koristi prevlaku od grafala, koja se sastoji od finog koloid-nog grafita koji se povezuje fenolnom smolom. Sloj je deoeo približno 10 do 20

nm, a nanosi $e prskanjem i zaStitnim otiskivanjem, posle čega sledi pečenje. Poboljšanje adhezionih karakteristika može da se postigne pomoću tankog me-talno-fosfatnog sloja (vezujući sloj) koji se primenjuje prc nanošenja prevlake. Zbog svoje kompatibilnosti sa uljem i dobrih osobina rada u uslovima lošeg podmazivanja, ova prevlaka se koristi preko cele površine, posebno kod dužih klipova. Osim kod većih motora, ova prevlaka se u vetikoj meri primenjuje i kod automobilskih oto i dizei motora [2].

Kod najnovijih konstrukcija velikih brodskih motora primenjuje se poboljša-no podmazivanjc klipnih prstenova i ci-lindarske košuljice, doziranjcm dovoda ulja kroz otvore u cilindarskoj košuljici, na rastojanju oko 20% hoda klipa od spoljne mrtve tačke [3]. Takođe, primenjuje se i elektronski sistem kontrole podmazivanja cilindra, koji ima za cilj kontrolu količine ulja koja se doprema u zonu klipnih prstenova, u zavisnosti od broja obrtaja i opterećenja motora, u svim režimima, uključujući i prelazne. Takav sistem dopunjen je uredajem za automatsko okretanje motora pri njego-vom puStanju u rad, Što znatno povećava ne samo pouzdanost nego i ekonomič-nost motora. Potrošnja ulja je veoma zna-čajna stavka kod brodskih motora. Ona se sada kreće od 1,02 g/kWh do 1,9 g/kWh, a u bliskoj budućnosti predvida se 0,68 g/kWh do 0,95 g/kWh [3].

Sistem razvoda

Za sve sisteme razvoda karakteri-stično je da na površinama u dodiru i re-lativnom kretanju vladaju visoka speci-fična opterećenja. što znači da za njih va-

VOJWTEHNlCKl CLASNIK 3/2003.

333

1

že Hcrcovi uslovi dodira. Elastično-hi-drodinamička teorija podmazivanja osnov je za reSavanje takvih triboloških problema. Medutim, zavisno od geome-trije i brzine kretanja delova, kao i od osobina ulja, obim ostvarene vrste podmazivanja realno se kreće od graničnog do elasto-hidrodinamičkog podmazivanja. U kontaktnoj oblasti izmedu brega i pogona ventila, usled velikog površin-skog pritiska i nepovoljne geometrije, mora se računati sa velikim udelom me-šovitog trenja.

Sistem za podmazivanje

Podmazivanje vitalnih delova i meha-nizama motora uključuje i razmatranje si-stema pomoću kojeg se proces podmazivanja ostvaruje. U prošlosti su sistemi za podmazivanje, po pravilu, bili predimenzi-onirani kako bi se osigurala potrcbna koli-čina ulja i u ekstremnim slučajevima (npr. pri velikom zazom koji nastaje usled haba-nja težaja ili da se omogući adekvatno podmazivanje ako se iz osnovnog modela motora proizvode varijante većih snaga). Medutim, danas kada su svi napori usmereni na povećanje ekonomičnosti motora, takav pristup nije adekvatan. ReŠenja se traže kroz optimizaciju svih elemenata sistema za podmazivanje, simulacijom sistema to-kom projektovanja motora. Optimizacija sistema za podmazivanje vrSi se sa tenden-cijom integracije sistema za podmazivanje i hlađcnjc.

Sistem podmazivanja može se na-zvati ,,krvotokom“ motora, jer gubici ulja, ili nedovoljno snabdevanje uljem kritičnih komponenata, može dovesti do havarije motora. Za kvalitet podmazivanja naročito su bitni:

- kontaktni pritisak (ili napon opte-rećenja u kontaktu). Kod jednokrake klackalice, koja naleže na breg, kontaktni pritisak zavisi od geometrije sistema raz-voda i sile ventilskih opmga. U iinijskom kontaktu prstena, kontaktno opterećenje defmisano je pomoću kombinacije pritiska gasa, konstrukcijom (oblikom) prstena i deformacijom cilindarske koSuljice, i teško ih je odrediti sa većom tačnošću;

- kontaktna tempcratura. U glavnim ležajevima to je temperatura motorskog kućišta (gomjeg) i uticaj toplote zbog smicanja (klizanja). U jednokrakoj ktac-kalici i u linijskom kontaktu prstena okolna temperatura može da se meri, ali postoji jaka dodatna komponenta usled stvaranja toplote u procesu klizanja, dok najveći uticaj ima proces sagorevanja. Najveći gradijent pruža se prema donjem delu klipa. Postoje merenja ovih temperatura pomoću infracrvenih sondi na stra-ni cilindra, a od ovakvog metoda puno se očekuje u budućnosti.

Formuiacija maziva veoma je bitna za reSavanje triboloSkih problema. Medutim, ona je vrlo složena, jer postoji niz oprečnih zahteva koji se moraju ispuniti. Mazivo mora da ima oksidacionu stabil-nost, karakteristike protiv penjanja, de-terdžentnost, otpomost na kidanje uljnog filma, ograničenja u viskozitetu, dobre karakteristike u širokom temperatumom opsegu, protivhabajuće osobine i osobine protiv ,,skafinga“ [4]. Iz istog kućiSta motora vrši se, radi podmazivanja, snabdevanje uljcm mehanizama koji imaju u torn pogledu različite zahteve (klipnih pr-stenova, cilindarske košuljice, klackalica ventila, ležaja kolenastog vratila, brega-stog vratila i osovinice klipa). U takvim

334

VOJNOTOHNtCKI OLASNIK )/200}.

usiovima ne samo da su razliditi materi-jali u kontaktu, nego ulje funkcioniSe i u Sirokom dijapazonu temperatura i optere-ćenja. U gtavnim ležajima ulje radi na temperaturi kućišta koja može da varira od vrednosti ispod nule (temperatura okoline), do radne temperature od 80°C do 120°C. Isto ulje je na pojedinim me-stima izloženo temperaturi od 300°C do 360°C (gomji prsten u spoljnoj mrtvoj tadki - u fazi sagorevanja), a tu se meša i sa produktima sagorevanja. Motori SUS u seriji i razvoju do devedesetih godina proSlog veka doveli su tehnoiogiju mazi-va do gomje granice. Uvodenje brega-stog vratila na glavi motora, povezano sa kućištima od aluminijuma i poboljšanjem konstrukcije komore sagorevanja, doveli su do velikog smanjenja mase i botjeg stepena korisnosti procesa sagorevanja. Ova poboljšanja zahtevala su i razvoj maziva koje ćc modi da prati ekstremne radne uslove.

Konstrukcija sklopova motora mno* go utide na tribološke karakteristike, jerje uspeSno trenje (na primer klackalice ven-Ша ili klizni ležaji bregastog vratila) povezano sa kombinacijom dobrih materija-la, dobrog procesa finalne obrade površi-na i kvalitetnog ulja. Smanjenje mase do-velo je do izmena u funkciji klipa, smanjenja dimenzija pojedinih regiona na kli-pu, prednika osovinice klipa, kompresione visine kao i promene oblika plaSta (slika 5). Medutim, ove promene izazvale su kreking na delu klipa, žlobu za prsten i zi-du komore za sagorevanje. Na tim mesti-ma su velika toplotna i mehanidka naprc-zanja, usled dega dolazi do slabljenja ma-terijala. Visok položaj prvog komprcsio-nog prstena, ili mala debljina zida komore za sagorevanje, povedavaju promene

usled krekinga ulja. Ove karakteristike klipa imaju i mnoge koristi, uključujući povećan termodinamidki stepen sagorevanja (smanjenu potrošnju goriva), kao i smanjenu emisiju (izduv i buku).

PLAŠT JE ZAMENJEN SA 2 POJASA ,-- MALE MASE ZA VOĐENJE

dime je smanjena kontaktna površina I i poboijSana nidrodinamika

SMANJENA OSOVINICAI OTVOR dime je smanjena kontaktna površina

SI. 5 - Klip sa smanjenom kontaktnom povrSinom plašta koja smanjuje trenje i rnasu klipa

Primenjeni materijali takode imaju veliki uticaj na tribološke karakteristike. Danas se, uglavnom, koriste cilindarske koSuljice od sivog liva. Koristi zbog smanjenja mase i izbegavanja dve proiz-vodnje koje treba radno objediniti (sivi liv+Al) jasne su. Silicijumska legura aluminijuma ima prihvatljivu otpomost na dugotrajan rad prstena (kontakt klipa i prstena) i duži vek upotrebe od sivog liva. Ipak, livena aluminijumska legura јоб uvek nema mikrostrukturu koja može da pruži dobre karakteristike otpomosti na habanje [4].

Treba istadi da se u konstrukciji motora SUS sve češće primenjuju delovi od keramike ili delovi sa keramidkim pre-

VOJNOniHNIĆKI OLASNIK W003.

335

vlakama (oblogama), zbog visoke toplot-ne otpomosti, kao i zbog malog trenja i habanja. Habanje utiče na vek upotrebe i intervale remonta, pri čemu treba poseb-no obratiti pažnju na elemente cilindra (klizne povrSine), sedišta ventila i vođice ventila, poluge podizača (klackalice), po-dizače ventila, bregasto vratilo, klizne pr-stenove u pumpi za vodu i ležaje. Velika krtost i tvrdoća keramičkih površina ne moraju istovremeno da znače i optimum u odnosima trenja i habanja.

U [5] su dati koeficijenti trenja kli-zanja koji su izračunati pri suvom trenju i pri podmazivanju uljnim kapima. Pri oba radna uslova, kako je predstavljeno na slici 6, menjani su materijali ispitnog uzorka u obliku valjka: Al203, A!2Oj* Zt02, SijN4 i SiC. Najmanje vrednosti koeficijenta trenja pokazao je uzorak od SiC (ц=0,05 za suvo trenje i ц=0,035 za trenje u prisustvu ulja).

SI. 6 - Trenje kiizanja и zavisnosti od materijala

keramika kcramika

Parovi sa najmanjom veličinom no-seće povrSine (ali sa najvećom hrapavo-šću), imaju najmanji koeficijent trenja kiizanja i to p=0,09 pri suvom i oko p=0,07 pri trenju u prisustvu ulja (slika

7). Ove relacije Cesto opovrgavaju pogre-Šnu pretpostavku, da „veoma glatka“ po-vršina znači i malo trenje.

Trokomponentna keramika (PSZ, Ai2Oj-TiC, Si3N4) koristi se kao prevlaka na klackalicama u sistemu razvoda. Se* rijsko izvodenje ovih elemenata motora

a.

я

Ofl

At,О, Ra-0,18

d suvo во паиђепо

■ ■

AljO^ZiO, Si,N4 SiC

Ra-0,19 Ra-0,16 Ri-0.21

SI. 7 - Trenje kiizanja и zavisnosti od uslova na kliznim površinama (hrapavost Ra je obrnuto proporcionalna velićini noseće površine lelaja ТА)

SI. 8 - Raspodela gubitaka trenja и motoru

336

VOJNOTEHNIČKIGUSNIK J/2003

biće uspešno samo ako napreduje tehnika spajanja keramičkih oblika i osnovnog tela u serijskim uslovima primene.

Na siici 8 prikazana je distribucija mehaničkih gubitaka po komponentama. Postoje mogućnosti smanjenja trenja upotrebom kvalitetnijeg ulja, boljim snabdevanjem motora uljem i korišće-njem kvalitetnijih materijaia. Ti sklopovi su na dijagramu posebno označeni. Sa stanovišta habanja dve su oblasti najkri-tičnije - kontakt prstena i cilindarske ко-šuljice i kontakt klackalice sa bregastim vratilom.

PoboljSanja materijaia od kojih su izvođeni dementi motora i odgovaraju-ća maziva, imaju važnu ulogu u kon-stmkciji motora devedesetih godina pro-Slog veka. Način tribološkog konstruisa-nja u sistemima motora je esencijalan za očuvanje njihove trajnosti i korisnosti u toku rada. Zbog toga ova poboljSanja treba da budu definisana još u fazi kon-struisanja, kao Sto su: optimalna meta-lurgija i finiSiranje tamih parova, prikla-dan izbor maziva i aditiva za očekivane radne uslove i sistem podmazivanja koji će obezbediti pristup ulja na sva mesta gde je neophodno podmazivaoje osetlji-vih delova.

Zaključak

Zbog značaja i uticaja tribologije na ekonomičnost rada motora od posebnog je žnteresa predviđanje triboloških кагак-teristika motora još u fazi projektovanja i konstniisanja. ReSenja koja se danas nude uglavnom se odnose na poboljšanje triboloSkih karakteristika materijaia, pre svega primenom raznih modifikacija po-vrSina i prevlaka [6]. Osim toga, neopho-dan je i razvoj analitičkih modela za Sto tačnije predvidanje triboloSkih karakteristika pokretnih delova motora u toku sa-mog projektovanja. Pored toga, neopho-dan je i dalji rad na razvoju motomih ulja visokog učinka, kao i na optimizaciji si-stema za podmazivanjc.

Uteratvra •

(I} Rac, A.: Tribotogija motora SUS - stanjc i lendenctje. Tri-botogija u bduMriji, dec. 1994, str. 119-125.

{2} Rdhrte, D. M,; Petons foe Internal Combustion Engines -Fundamentals of Piston Technology. MAHLE Gmbh. 1993. str. 28-29; 66-97.

|3) Ведерников, Д H.; Шлахтов, В. А.: Решение трибологических проблем двигателей внугренот сгорании: еовремешия практика изготовителей и перспективы (по материалам зарубежной печати), Треиие и юное, том I5.M1, >н вар - февраль, 1994. стр. 138-147.

|4| Alliston, Р.: (Plint and Partners Ltd, Workingham. Berks), Tribology in engine development - The role of test methods and procedures. Fuel and lubricants, str. 221-225.

|5) Droecha, H.: Reiving und VerschleiB bei Keramik im Mo-torenbau, MTZ 7-8/1987, str. 278-280.

(6) Gradin, B. Z.: Analiza mehaniCkih gubitaka dizel motora sa direktnim ubrizg*vanjem, magistarski rad. Maiinski fakul-let, Beograd, 2000.

VOJNOTEHNlCKJ GLASN1K 3/2003.

337