Wszystko, co chcecie wiedzieć o smarowaniu

Walka z tarciem

Smarowanie współpracujących ze sobą elementów silnika jest niezbędne dla jego sprawnej, bezawaryjnej i długotrwałej pracy. Ze względu na zmienne obroty, duże obciążenia i wysokie temperatury warunki pracy trących o siebie powierzchni w silniku spalinowym są wyjątkowo trudne, dlatego układ smarowania ma do spełnienia szczególną rolę. Olej musi być dostarczony w odpowiedniej ilości do wszystkich określonych przez konstruktora punktów, przy okazji pełniąc funkcję chłodzącą i myjącą.

Nawet najdokładniej obrobione powierzchnie nie są idealnie gładkie. Chropowatości, choćby minimalne, wywołują tarcie i wydzielanie się ciepła, co sprzyja intensywnemu zużyciu. Zadaniem środka smarnego jest wypełnienie nierówności we współpracujących częściach i wytworzenie między nimi tzw. filmu olejowego. Jeśli ma on odpowiednio wysokie ciśnienie, pozwalające utrzymać wypełniony olejem odstęp między współpracującymi elementami, tarcie osiągnie najmniejsze możliwe wartości – to tzw. tarcie płynne.

Najbardziej niekorzystne warunki smarowania panują w silniku podczas jego rozruchu, gdy olej jest zimny. Do łożysk wału korbowego czy wałków rozrządu dociera on dopiero po kilku sekundach, a i tak przez kilka kolejnych minut jest zbyt gęsty, by zapewnić odpowiednie warunki pracy trących o siebie elementów. Zbyt wysoka temperatura także nie jest korzystna, bowiem przy rzadkim środku smarnym film olejowy może być zbyt cienki i ulegać przerwaniu. Wtedy chwilowo znika dystans między elementami, które trą o siebie bezpośrednio.

Na zdjęciu: Najczęściej stosowany we współczesnych motocyklach układ smarowania z tzw. mokrą miską olejową.

Zestaw zadań

Olej w silniku ma też dodatkowe zadania. Jest czynnikiem chłodzącym jednostkę napędową od wewnątrz, tam, gdzie nie sięga układ chłodzenia (łożyska wału korbowego, łożyska wałków rozrządu, denka tłoków). Gorący olej po spłynięciu do miski olejowej oddaje część ciepła otoczeniu. Może być też schładzany w dodatkowej chłodnicy, gdy obciążenia cieplne silnika są szczególnie duże. Są też silniki, w których olej traktowany jest jako czynnik chłodzący (chłodzenie powietrzno-olejowe). Wówczas cały układ smarowania uwzględnia w znacznie szerszym zakresie funkcję chłodzącą.

Olej doszczelnia również komorę spalania, zmywa osady i cząstki metalu, a także chroni wewnętrzne elementy jednostki napędowej przed korozją. Ta jego część, która przenika do komory spalania, może zostać spalana lub uniesiona ze spalinami. Część ucieka przez nieszczelności, a część jest rozpraszana na skutek przewietrzania skrzyni korbowej. Z tych powodów środka smarnego systematycznie ubywa i trzeba uzupełniać jego poziom. Olej krążący w układzie smarowania starzeje się, zanieczyszcza produktami spalania i rozcieńcza paliwem, co powoduje pogorszenie jego jakości. Dlatego trzeba go więc regularnie wymieniać.

Zadania oleju w motocyklu są tym trudniejsze, że zazwyczaj pracuje w nim sprzęgło, przekładnia wstępna i skrzynia biegów. Z tego powodu w większości jednośladów nie można stosować większości olejów samochodowych. Zawarte w nich dodatki mogą powodować ślizganie się sprzęgła, pracującego w kąpieli olejowej oraz rozrywanie łańcuchów cząsteczkowych oleju wskutek ogromnych nacisków w przekładniach zębatych. A efektem degradacji molekularnej jest zrywanie filmu olejowego w punktach tarcia.

Na zdjęciu: Układ smarowania zwany półsuchym, z dwupoziomową miską olejową. To rzadko stosowane rozwiązanie.

Na trzy sposoby

W czterosuwowych silnikach motocyklowych stosowane są różne systemy smarowania. Dwa zasadnicze to układy z mokrą lub suchą miską olejową.

W pierwszym rozwiązaniu pompa przez tzw. smok zasysa środek smarny z miski olejowej i wprowadza go do układu smarowania. Po przejściu przez punkty tarcia, olej wraca do miski i proces powtarza się. Schemat działania przedstawiamy na ilustracji w pierwszej części artykułu.

W drugim (schemat powyżej) muszą pracować dwie pompy. Pierwsza zasysa środek smarny ze specjalnego zbiornika – zasobnika oleju (może być nim np. fragment ramy) i wprowadza do układu smarowania. Potem olej wraca do miski olejowej, a stąd, przez drugą pompę (osuszającą) dostarczany jest powtórnie do zasobnika. Wydajność pompy osuszającej jest zazwyczaj dwukrotnie większa niż pompy tłoczącej, bowiem zasysa ona olej spieniony, zawierający pęcherzyki powietrza.

Stosuje się również tak zwany półsuchy układ smarowania (schemat w drugiej części artykułu), w którym jedna z pomp dostarcza olej nie do oddzielnego zbiornika poza silnikiem, ale do specjalnej, dodatkowej miski olejowej, wmontowanej w misce zasadniczej. Nie wszyscy stosują dla takiego układu nazwę „półsuchy”, przyjmując, że jest to jednak system „suchy”.

Kiedy potrzebne są bardziej skomplikowane układy z suchą miską? Gdy trzeba chronić silnik przed skutkami przerw w dostawach oleju. W samochodach może się to zdarzyć podczas wyczynowej jazdy, gdy siła odśrodkowa na zakrętach powoduje przelanie się oleju i zmianę położenia jego lustra. W motocyklach do odsłonięcia smoka zasysającego olej z miski może dojść np. podczas stawiania go na kole.

Nie wystarczy ochlapać

Za wytworzenie ciśnienia w układzie smarowania odpowiada pompa. Jej wygląd i konstrukcja zmieniały się wraz z silnikami motocyklowymi.

Początkowo za tłoczenie oleju odpowiedzialny był sam kierowca. Co jakiś czas musiał poruszać odpowiednią dźwignią, by wytworzyć ciśnienie w układzie smarowania. Punktów oczekujących na olej nie było zbyt dużo, bo większość elementów dawnymi czasy smarowana była rozbryzgowo. Zanurzony częściowo w oleju wał korbowy rozchlapywał go i podczas kolejnych obrotów ochlapywał łożyska korbowodowe, wałek rozrządu osadzony w bloku, a częściowo również gładzie cylindrowe. Było to możliwe, bo powszechnie wykorzystywano wówczas łożyska toczne, do których rozchlapywany olej łatwo wnikał.

Zastosowanie pompy stało się koniecznością, gdy zaczęto stosować łożyska ślizgowe, „ciasno” zespolone ze współpracującymi elementami. Pompa dawała też pewność, że olej dotrze do każdego miejsca, w którym mógł być potrzebny.

Początkowo powszechnie stosowano pompę zębatą, której budowa oparta jest na dwóch kołach o zazębieniu zewnętrznym. Pracują one w obudowie z dwoma kanałami – wlotowym po stronie ssącej i wylotowym po stronie tłocznej. Jedno z kół jest napędzane od wału głównego, wałka skrzyni biegów lub mechanizmu rozrządu (czasami z wykorzystaniem dodatkowej przekładni zębatej albo łańcucha), drugie może się swobodnie obracać na dodatkowym wałku. Zasysany olej przenoszony jest w przestrzeniach międzyzębnych po zewnętrznej stronie kół. Szczelny korpus umożliwia wytworzenie większego ciśnienia. Wydajność pompy zależy nie tylko od obrotów, ale również od rozmiarów kół, wielkości przestrzeni międzyzębnych oraz luzu między kołami zębatymi a obudową.

Na zdjęciu: Pompa zasysa olej z miski olejowej poprzez element zwany „smokiem”. Tłoczy go do filtra oleju i dalej, do punktów smarowania.

Pompa trochoidalna

Z czasem silniki zaczęły się rozrastać, zyskiwały na pojemności skokowej i liczbie cylindrów. W korpusach motocyklowych jednostek napędowych robiło się coraz ciaśniej. Rozpoczęła się miniaturyzacja podzespołów, optymalizacja wymiarów i redukcja masy. Nie ominęła ona również pompy oleju.

Sięgnięto po konstrukcje o zazębieniu wewnętrznym, zwane trochoidalnymi. Miały mniejsze gabaryty przy znacznie wyższej wydajności. Zasada działania w zasadzie nie zmieniła się. Tu też olej przenoszony jest w przestrzeniach międzyzębnych, tylko koło o uzębieniu zewnętrznym pracuje w kole o uzębieniu wewnętrznym. Koło wewnętrzne jest napędzane i ułożyskowane mimośrodowo. Zewnętrzne nie ma żadnej osi, może się jednak swobodnie obracać w obudowie.

Obecnie pompy trochoidalne panują niepodzielnie w czterosuwowych silnikach motocyklowych. Ich dodatkową zaletą jest bardzo wysoka trwałość. Taka pompa zespolona jest najczęściej ze smokiem zasysającym olej. Ponieważ może on być zanieczyszczony, smok wyposażony jest w drobną siatkę zatrzymującą w misce duże cząsteczki, które mogłyby uszkodzić pompę.

Nowe zadania

W mocno wysilonych jednostkach napędowych króluje dzisiaj chłodzenie cieczą. Okazuje się, że układ smarowania może z nim współpracować, tworząc zupełnie nowe warunki termiczne dla jednostki napędowej.

Już w drugiej połowie lat 90. konstruktorzy zaczęli wprowadzać chłodnicę oleju w obieg cieczy chłodzącej. Zabieg mało skomplikowany, a daje sporo korzyści. Przede wszystkim faza nagrzewania silnika jest znacznie skrócona.

Wymiennik ciepła olej – ciecz chłodząca pracuje w tak zwanym „małym obiegu”, przyspieszającym nagrzewanie jednostki napędowej (ciecz krąży tylko wokół cylindrów i głowicy aż do osiągnięcia odpowiedniej temperatury, termostat nie pozwala płynąć jej do chłodnicy). Nagrzewający się szybko olej dogrzewa poprzez wymiennik płyn chłodzący, pobierający ciepło nieco wolniej. Z kolei przy nagrzanym już silniku, ciecz chłodząca stabilizuje temperaturę oleju. Podobny efekt można częściowo osiągnąć poprzez zagłębienie filtra oleju w wydzielonej przestrzeni miski olejowej.

Wymienniki ciepła uczyniły systemy chłodzenia bardziej zwartymi i poprawiły jednocześnie warunki pracy silników. Pozwoliły zrezygnować w niektórych przypadkach z konwencjonalnych chłodnic oleju, dając miejsce na większe chłodnice cieczy.

Układ smarowania to niezwykle istotny system dla spalinowej jednostki napędowej. Olej krążący po silniku nie tylko zapewnia jej sprawną i długotrwałą pracę, ale może być wykorzystywany na wiele sposobów. Do wymienionych wcześniej funkcji trzeba przecież dodać jeszcze aktywowanie kompensatorów luzu zaworowego czy uruchamianie mechanizmów zmieniających parametry rozrządu. Być może doczekamy się kolejnych zastosowań oleju smarującego silnik, to kwestia pomysłowości konstruktorów. Na razie trzeba jednak pamiętać o kwestii zasadniczej ? olej to życiodajny płyn dla silnika, na którym nie wolno oszczędzać.

Na zdjęciu: Wymiennik ciepła układ smarowania – układ chłodzenia obok filtru oleju. To rodzaj chłodnicy oleju, zapewniającej lepszą stabilność termiczną.

Zdjęcia i rysunki BMW, Sunbeam, Honda, Suzuki, Moto Guzzi, Harley-Davidson

Publikacja Świat Motocykli 1/2014.