Smøring i en motor

TRIBOLOGISKE PROCESSER I EN FORBRÆNDINGSMOTOR

Når motoren eksempelvis kører i tomgang er den tilførte effekt lig med den mekaniske effekttab. Hoveddelen af de mekaniske effekttab i motoren er i første omgang friktionstabet mellem cylinder og stempel. Disse tab beror på motorkonstruktionen og driftsbetingelserne. De udgør 40-75 % af samtlige tab i en motor. Tabene i krumtapslejerne er ca. 10-15 %, dertil kommer tabene i ventilmekanismen på 5-15 %. Øvrige effekttab kommer fra diverse hjælpeaggregater så som: oliepumpe, vandpumpe, generator m.m. Disse står sammenlagt for cirka 10 % af de totale effekttab.

Forholdet mellem motorens tilførte og udtagne effekt kaldes for motorens mekaniske virkningsgrad. Beroende på driftsbetingelserne kan dette parameter variere fra nul ved tomgangsdrift og op til sin maksimale værdi ved nominelt effektudtag.

Værdien af motorens mekaniske virkningsgrad beror i stor udstrækning på motorkonstruktionen. For f.eks. en højomdrejnings benzinmotor overstiger den sjældent 0,72-0,75, for en lastbils dieselmotor ligger den mellem 0,82-0,84, og for en langsomtgående diesel bådmotor kan den mekaniske virkningsgrad overstige 0,90. Effekttabene i en forbrændingsmotor er meget beroende på krumtapakselens omdrejningstal, eller rettere sagt af stemplernes hastighed - dette er praktisk taget en kvadratisk relation - jo højere omdrejningstal desto højere friktion. Størrelsen på krumtapakselens belastningskraft ved konstant omdrejningstal indvirker derimod yderst lidt på effekttabene.

I en almindelig benzinmotor bruges ved normal drift op til 30 % af motoreffekten på at overvinde friktionstabet.

Hvilke dele af tabene ud af samtlige friktionstab i en motor kan påvirkes af RVS-behandling ? Naturligvis påvirker behandlingen ikke motorens kompressionstab, tab i ventilmekanismen, oliepumpe, vandpumpe, generator eller remme – tilbage står altså tabene mellem cylinder og stempel og i krumtapslejerne. Disse tab kan dog være så store som 85 % af de totale effekttab, og det er disse, som berøres mest af RVS-behandlingen.

Næste spørgsmål gælder forbrændingsmotorens tribologi (smøring). Hvilke typer af friktion findes mellem cylinder og stempel, og i krumtapslejerne?

Almen tribologisk teori betragter tre forskellige typer.

Den første type er tør friktion - d.v.s. friktionen mellem to ru overflader, som er i direkte kontakt med hverandre. Friktionskraften er i dette tilfælde proportionel mod belastningskraften og beskrives med formelen:

F(fk) = f(fr) · F(bk) , hvor proportionalitetskoefficienten f(fr) også kaldes for friktionskoefficient.

Den anden type af friktion er en blanding af grænse- eller halvtør friktion. Den er også en friktion mellem to ru overflader, som er i direkte kontakt med hverandre, men mellem disse findes en hinde af smøremiddel, og smørehindens tykkelse er mindre end friktionsfladernes gennemsnitlige overfladeruhed. Både for den første og den anden type er friktionskoefficienten tæt bundet til friktionsfladernes ruhed. Jo grovere overflade desto højere er værdien på friktionskoefficienten.

Den tredje type af friktion er en væske- eller hydrodynamisk friktion. I dette tilfælde er de to friktionsflader holdt adskilt med en smørefilm, og tykkelsen på denne smørefilm er mindst dobbelt så stort som det gennemsnitlige mål på friktionsfladernes ruhed. Ved denne type friktion beskrives friktionskræfterne med Newtons lov med formelen: F(fr) = m·S·V/h hvor:

m - dynamisk viskositetskoefficient.
S – kontaktfladernes areal.
V – friktionsfladernes hastighed mod hverandre.
h – smørefilmens tykkelse.

Der eksisterer ingen direkte forbindelse mellem hydrodynamisk friktionskraft og belastningskraft, hvilket fremgår a formelen. Ikke desto mindre findes forbindelsen. Det er indirekte og ligger skjult i belastningskraftens virkning på smørefilmens tykkelse samt i viskositeten på smøremidlet.

Hvis man antager, at alle andre parametre er lige er den hydrodynamiske friktionskraft i størrelsesordenen hundreddele af grænse- eller tørfriktionskraften. Et åbenbart og naturligt kriterium for overgangen fra halvtør til hydrodynamisk friktion er højden af smørefilmen. Vi indfører begrebet h(kr) – smørefilmens kritiske højde. Hvis smørefilmens højde er lavere end det kritiske mål rives smørefilmen i stykker, og en tør- og halvtørfriktion træder i kraft. sædvanligvis er h(kr)-parameteret knyttet til friktionsfladernes gennemsnitlige ruhedsværdi efter formelen:

h(kr) = 3µ + h(mg) , hvor:
h(kr) - smørefilmens kritiske højde.
h(ms) - friktionsfladernes middel ruhed.

Jo grovere overfladerne er desto lettere overgår altså den hydrodynamiske friktionen til halvtørfriktion.

I en forbrændingsmotor alle tre ovennævnte typer friktion forekomme ved forskellige maskindele og ved forskellige driftsforhold. Imidlertid tillades kun forekomsten af tørfriktion mellem cylinder og stempel og i knastakselens lejer kortvarigt ved koldstart.

Ved normaldrift skal samtlige maskindele kun udsættes for hydrodynamisk friktion. For øvrigt er disse vilkår obligatoriske, når en motor konstrueres. En kortvarig ændring af smørefilmen tillades kun i de øverste dele af cylindrene, og ved visse driftforhold - nemlig i området hvor stemplet standser. Den sammenlagte længde af disse områder må ikke overstige 10-15 % af stemplernes totale slaglængde. Tager man desuden hensyn til, at zonerne med grænsefriktionen kun opstår ved vendepunkterne, hvor stempelhastigheden er minimal, kan man konstatere at det totale bidrag fra disse driftsforhold til de totale effekttab er marginalt.

D.v.s. at i en korrekt tilkørt og ubetydeligt slidt motor indvirker friktionsfladernes tilstand kun lidt på de mekaniske effekttab. Undtaget herfra er de sværeste arbejdsforhold, hvor motoren arbejder ved nominel effekt, ved fuld belastning og ved lave omdrejningstal. Sammentræffet af disse tre vilkår kan forårsage delvis forstyrrelse af den hydrodynamiske smøretilstand.

Hvordan forklarer man så friktionsnedsættelsen ved en RVS-behandling som bevisligt finder sted i en motor?

Alt afhænger på motorens slidtilstand.

På de mest udsatte dele i en slidt motor findes der altid skader i form af forskellige rivninger, de såkaldte friktionsdefekter. Disse defekter i hovedlejerne samt mellem stempelringene og cylindervæggene påvirker kraftigt opbygningen af smørefilmen, og forårsager forstyrrelser i den hydrodynamiske smøretilstand.

En smørefilm opbygges takket være en glidningseffekt (hydroplaning) som opstår, når to overflader glider mod hinanden. Hydroplaning, som er et resultat af den løftekraft, der dannes, holder maskindelene adskilte.

Den totale hydrodynamiske løftkraft beror på friktionsfladernes areal, på hvilke et hydrodynamisk tryk virker og beskrives med loven om trykfordeling.

Netop loven om trykfordeling bestemmer forbindelsen mellem friktionsfladernes overflade og det hydrodynamiske tryk, som skal holde friktionsdelene adskilte.

Den mindste defekt på overfladen, i størrelsesordenen 20 µm som er lig med smørefilmens middelhøjde, leder til lokal forstyrrelse i det hydrodynamiske tryk. Dette øger risikoen for at havne i den kritiske situation, hvor hydrodynamisk friktion overgår til halvtørfriktion.

Herudfra kan princippet for RVS funktionen ved behandling af en forbrændingsmotor og indvirkningen på de mekaniske friktionstab formuleres.

Mikro ruhedernes udglatning leder til reduktion af smørefilmens kritiske højde, og resulterer enten i eliminering eller i kraftig reduktion af den zone, hvor grænsefriktion opstår.

Eliminering af friktionsfladernes defekter leder til, at fladernes evner til at skabe det hydrodynamiske tryk genskabes, tykkelsen på smørefilmen øges, og styrken på den hydrodynamiske friktion sænkes.

Det beskyttende antifriktionslag, som opbygges ved RVS-behandlingen mindsker markant halvtør – og tørfriktionskoefficienten i zonerne, hvor forstyrrelsen af den hydrodynamiske løftekraft sker, ved svære funktions- og driftsforhold.

Resultat af bænktest bekræfter fuldstændigt disse påstande. De største målbare resultater for reduktion af brændstofforbrug og øgning af motoreffekt opnås faktisk mest ved krumtapakselen under lave eller høje omdrejningstal og ved samtidig fuldbelastning. Som tidligere påpeget er det i disse funktionssektorer, at tykkelsen af smørefilmen er minimal, og hvor den kritiske zone for grænsefriktionen ligger nærmest.

Målinger af de mekaniske effekttab udført ved test i bremsbænk har vist, at efter RVS-behandlingen er de mekaniske effekttab i en relativt slidt benzinmotor sænket med 25 %, respektive 14 % for en ligeledes slidt dieselmotor.

    
Alt forhandles på www.weboil.dk