TRIBOLOGISKA PROCESSER I EN FÖRBRÄNNINGSMOTOR
Mängden av energi som erfordras för att övervinna alla friktionskrafter och hålla en förbränningsmotor med tillhörande hjälpaggregat igång vid en viss belastning och rotationshastighet kallas för motorns mekaniska effektförlust. Det är faktiskt skillnaden mellan mängden av i cylindrarna förbränd bränsleenergi, en s.k. tillförd effekt, och uttagen motoreffekt.
När motorn exempelvis körs på tomgång är den tillförda effekten lika med den mekaniska effektförlusten. Huvuddelen av de mekaniska förlusterna i motorn är i första hand friktionsförlusterna mellan cylinder och kolv. Dessa förluster beror på motorkonstruktionen och dess driftläge. De utgör 42-65 % av samtliga motorförluster. Förlusterna i ram- och vevlagren är ca 9-15 %, sedan följer förlusterna i ventilmekanismen 11-16 %. Övriga förluster härleds till driften av diverse hjälpaggregat av typ oljepump, vattenpump, styrservopump, ev. dieselpump, generator och fläkt. Dessa står sammanlagt för cirka 10-16 % av de totala förlusterna.
Förhållandet mellan motorns uttagna och tillförda effekt kallas för motorns mekaniska verkningsgrad. Beroende på driftläge kan denna parameter variera från 0 vid tomgångsdrift och upp till sitt maximala värde vid nominellt effektuttag.
Värdet av motorns mekaniska verkningsgrad (uppmärksamma att vi talar inte om motors totala verkningsgrad utan om motorns mekaniska verkningsgrad) beror i stor utsträckning på motorkonstruktionen. För en högvarvig bensinmotor exempelviss överstiger den sällan 0,72-0,75, för en lastbils dieselmotor ligger den mellan 0,82-0,84 och för en lågvarvig dieselbåtmotor kan den mekaniska verkningsgraden överstiga 0,90.
Effektförlusterna i en förbränningsmotor är mycket beroende av vevaxelns varvtal eller rättare sagt av kolvarnas hastighet – detta är praktiskt taget en kvadratisk relation – ju högre varvtal desto högre förlusterna. Storleken på vevaxelns belastningskraft vid konstant varvtal inverkar däremot ytterst lite på effektförlusterna.
I en mest vanlig bensinmotor går vid normal drift upp till 30 % av motoreffekten åt för att övervinna friktionsförlusterna.
Vilka delar av förlusterna av samtliga friktionsförluster i en motor kan påverkas av RVS-behandling? Naturligtvis påverkar behandlingen inte motorns kompressionsförluster, förluster i ventilmekanismen, oljepump, vattenpump, generator eller fläkt – återstår alltså förlusterna mellan cylinder och kolv och i ramlagren. Dessa förluster kan dock uppgå till 80 % av de totala effektförlusterna och berörs mest av RVS-behandlingen.
Nästa fråga gäller förbränningsmotorns tribologi. Vilka typer av friktion äger rum mellan cylinder och kolv, och i ramlagren?
Allmän tribologisk teori betraktar tre olika typer.
Den första typen är gränsskiktsfriktion – d.v.s. friktionen mellan två skrovliga ytor som är i direkt kontakt med varandra. Friktionskraften (F) i detta fall proportionell mot belastningskraften (N) och beskrivs med formeln:
F = µ · N, där proportionalitetskoefficienten µ kallas också för friktionskoefficient.
Den andra typen av friktion är en blandad friktion. Den här är också en friktion mellan två skrovliga ytor som är i direkt kontakt med varandra, men mellan dessa finns en hinna av smörjmedel och smörjhinnans tjocklek är mindre än friktionsytornas genomsnittliga skrovlighetshöjd. Både för den första och för den andra typen är friktionskoefficienten tätt bunden till friktionsytornas skrovlighet. Ju grövre ytorna desto högre är värdet för friktionskoefficienten.
Den tredje typen av friktion är en hydrodynamisk friktion. I detta fall är de två friktionsytorna skilda från varandra med en smörjmedelshinna och denna hinnas tjocklek är minst dubbelt så stort som genomsnittliga måttet på friktionsytornas skrovlighet. Vid denna typ av friktion beskrivs friktionskrafterna med Newtons lag enligt formeln: F = m·S·V/h däri:
m – dynamisk viskositetskoefficient,
S – kontaktytornas area,
V – friktionsytornas hastighet relativt varandra
h – smörjhinnans tjocklek.
Det existerar inget direkt samband mellan hydrodynamisk friktionskraft och belastningskraft, vilket framgår av formeln. Icke desto mindre finns sambandet. Det är indirekt och ligger dolt i belastningskraftens verkan på smörjhinnans tjocklek samt i smörjningsviskositeten.
Givet att alla andra parametrar är lika är hydrodynamiska friktionskraften i storleksordningen hundradelar av gränsskikts- eller blandad friktionskraft. Ett uppenbart och naturligt kriterium för övergången från en blandad till en hydrodynamiskfriktion är höjdmåttet av smörjhinnan.
Vi inför begreppet hkr – smörjhinnans kritiska höjdmått. Om smörjhinnans höjd är lägre än det kritiska måttet rivs smörjhinnan sönder och en gränsskikts- och blandad friktion träder i kraft. Vanligtvis är hkr -parametern knuten till friktionsytornas genomsnittliga skrovlighetsvärde enligt formeln:
hkr = 3 mkm + hms , där:
hkr – smörjhinnas kritiska höjd
hms – friktionsytornas medelskrovlighet.
Ju grövre ytorna är desto lättare övergår alltså den hydrodynamiska friktionen till blandad friktion.
I en förbränningsmotor kan för olika maskindelar och vid olika driftförhållanden alla de tre ovannämnda typerna av friktion förekomma. Emellertid tillåts inte förekomsten av gränsskiktsfriktion vid kallstart för mer än mellan cylinder och kolvringar och i lagringen för kamaxeln.
Vid normaldrift skall samtliga maskindelar utsättas endast för hydrodynamisk friktion. För övrigt är det här villkoret obligatoriskt när en motor konstrueras. En kortvarig störning av smörjhinnan tillåts endast i de översta och nedersta delarna av cylindrarna och vid vissa driftförhållanden – nämligen i områdena där kolven stannar. Sammanlagda längden av dessa områden får inte överstiga 10-15 % av totala kolvens löplängd. Tar man dessutom hänsyn till att zonerna med gränsskiktsfriktionen endast uppstår vid vändpunkterna där kolvens hastighet är minimal, kan man konstatera att det totala bidraget av dessa driftförhållande till de sammanlagda effektförlusterna är marginellt.
D.v.s. i korrekt inkörd och obetydligt sliten motor inverkar friktionsytornas skick på de mekaniska effektförlusterna endast lite. Undantaget utgör de svåraste arbetsförhållandena då motorn arbetar vid nominal effekt, vid full belastning och vid låga varvtal. Sammanträffandet av dessa tre villkor kan förorsaka en partiell störning av den hydrodynamiska konjugeringen.
Hur förklarar man då friktionsminskningen vid en RVS-behandling som bevisligen äger rum i en motor?
Allt hänger på motors grad av förslitning.
På de mest utsatta delarna i en sliten motor finns det alltid skador i form av olika rispor, de så kallade friktionsdefekterna. Dessa defekter i ramlagren samt mellan kolvringarna och cylinders innerväggar påverkar kraftigt bildandet av smörjhinnan och förorsakar en störning i den hydrodynamiska konjugeringen.
En smörjhinna bildas tack vare en s.k. glisseringseffekt (hydroplaning) som uppstår när två ytor har rörelse relativt varandra. Hydroplaning, som är ett resultat av den lyftkraft som skapas, håller maskindelarna isär.
Fenomenet kan liknas med åkning på vattenskidor
Tre nödvändiga villkor bestämmer uppkomsten och styrkan på lyftkraften – ytorna skall vara i rörelse och ligga i en viss positiv vinkel (en s.k. attackvinkel) gentemot varandra. Ett visköst smörjmedel skall dessutom finnas mellan dem.
Den totala hydrodynamiska lyftkraften beror på friktionsytornas area i vilka ett hydrodynamiskt tryck verkar och beskrivs med lagen om tryckfördelning.
Just lagen om tryckfördelning bestämmer sambandet mellan friktionsytornas skick och det hydrodynamiska trycket som skall hålla friktionsdelarna isär.
Minsta defekt i ytan, i storleksordningen 20 mkm vilket är jämförbart med smörjhinnans medelhöjd, leder till lokal störning i det hydrodynamiska trycket. Detta i sin tur ökar risken att hamna i den kritiska zonen där hydrodynamisk friktion övergår till blandad friktion.
Härur kan principen för RVS funktion vid behandling av en förbränningsmotors och dess inverkan på de mekaniska friktionsförlusterna formuleras.
Mikroreliefernas höjdminskning leder till minskning av smörjhinnans kritiska höjd och resulterar antingen i eliminering eller i kraftig minskning av den zon där gränsskiktsfriktion uppstår.
Eliminering av friktionsytornas defekter leder till att ytornas förmåga att skapa det hydrodynamiska trycket återställs, tjockleken av smörjhinnan ökar och styrkan på den hydrodynamiska friktionen minskar.
Det skyddande antifriktionsskiktet som bildas efter RVS-behandlingen minskar avsevärt blandad- och gränsskikts friktionskoefficient i zonerna där störningen av den hydrodynamiska lyftkraften sker, vid svåra funktions- och driftsförhållanden.
Resultat av bänktester bekräftar fullständigt dessa slutsatser. De största iakttagbara resultaten för minskning av bränsleförbrukning och ökning av motoreffekt erhålls faktiskt antingen vid vevaxelns låga eller höga varvtal och vid samtidigt fullbelastning. Som tidigare påpekats är det i dessa funktionssektorer som tjockleken av smörjhinnan är minimal och den kritiska zonen för blandade friktionen ligger som närmast.
Mätningar av de mekaniska effektförlusterna utförda vid testning i bromsbänk har visat att efter RVS-behandlingen har de mekaniska förlusterna för en relativt sliten bensinmotor minskat med 25 %, respektive 14 % för en likaledes sliten dieselmotor.