С повышением давления на поршневые кольца и температуры поверхностей трения область сухого трения в цилиндре увеличивается.
Существенное влияние на износ оказывают продукты сгорания, особенно соединения серы и ванадия. Увеличение содержания серы в топливе вызывает резкое усиление нагарообразования на поршне, ухудшающее теплообмен, и способствует накоплению твердых частиц в смазке. Одним из источников абразивных частиц является воздух. С повышением степени форсирования двигателей возрастает количество поступающего в цилиндр воздуха и, следовательно, абсолютное количество пыли.
Интенсивность изнашивания основных узлов трения также зависит и от режима смазки.
Гидродинамическая теория смазки была создана профессором Н.П.Петровым в 1883 г. и является важнейшим разделом современной теории смазки машин и механизмов. Этот режим смазки предполагает полное разделение поверхностей слоем смазки, причем внешнее трение заменяется трением между слоями жидкости.
Гидродинамический (жидкостный) режим смазки требуется для всех пар трения в двигателе. Именно он позволяет уменьшить в сотни раз силу и мощность трения, а также износы узлов.
В двигателях наиболее сложным узлом трения является цилиндро-поршневая группа. Знакопеременные силы, действующие на поршень через кольца, оказывают влияние на масляную пленку и формируют ее при движении поршня от ВМТ к НМТ и обратно. В момент изменения направления сил имеет место "перекладка зазора", то есть поршень, прижимавшийся ранее к правой стороне втулки, быстро перебрасывается к левой стороне (выбирается зазор). При этом удар поршня и колец о втулку смягчается демпфирующим действием масляной пленки, у которой при больших ударных давлениях повышается вязкость. Следует отметить, что микронная масляная пленка является и тепловым демпфером. При работе ДВС имеет место насосное действие колец. Как это происходит, показано на рис. 3. Масло (М) по зазорам поднимается вверх. При избытке масла, больших износах и чрезмерно большой частоте вращения вала двигателя оно забрасывается в камеру над поршнем, где и сгорает (расход масла на угар).
Рис. 3. Насосное действие поршневых колец и образование масляной пленки в узле трения кольцо-втулка. h - толщина пленки; U - эпюра износа втулки по высоте
Работа узла трения "кольцо-пленка-втулка" происходит в очень сложных условиях.
Кольцо, двигаясь по пленке, формирует ее с переменной высотой h; на рис. 3 дана эпюра толщины масляной пленки hn по высоте цилиндровой втулки.
Тонкая масляная пленка испытывает воздействие переменных физико-химических факторов; особенно в зоне первого поршневого кольца на нее действуют:
- давление - 6-120 бар
- температура газов - 250-1600°C
- парциальное давление кислорода - 8-12 бар
При этом за короткое время (20-50 миллисекунд) температура на поверхности пленки в верхней зоне резко возрастает - идет интенсивное испарение масла и уменьшение толщины пленки. Одновременно углеводороды масла подвергаются кислородной атаке, ведущей к окислению. В пленку постоянно поступают продукты неполного сгорания - сажа, окислы серы и т.д. И внутри пленки идут сложные физико-химические процессы деструкции, окисления, диффузии и т.д.
В реальных двигателях hп меняется от 5 до 30 микрон. Наиболее тяжелые условия работы масляной пленки - в высокотемпературной зоне (ВМТ), где в момент перекладки поршня может иметь место граничное трение. Это подтверждает и эпюра износов (рис. 3, кривая U), где максимальный износ наблюдается именно в этой зоне втулки цилиндра. На толщину пленки влияют два основных фактора - число оборотов.и вязкость масла.
В условиях эксплуатации нарушение смазки поршневых колец приводит к повышенному износу, образованию рисок, задиров, нагаролакоотложений (рис. 4).
Рис. 4. Повреждения поршня, вызванные нарушением смазки