Швейцарский ресурс MDPI Open Access Journals на прошлой неделе опубликовал текст интереснейшего исследования*. В университете Токаи (Япония) на экспериментальной установке, имитирующей вращение вала ДВС, удалось снизить момент трения в подшипнике скольжения на 5,2%. Если удастся повторить на реальном моторе, инженерная премия и бутылка шампанского обеспечены. И, что самое главное, ни подшипник, ни смазочный материал не подвергались какой-то модификации: в масло просто внесли… пузырьки.
Ну да, маркетологи уже завлекали нас «волшебными» пузырьками: воздушный шоколад, супер-пупер стиральные машины, да даже анатомические стельки! Но тут, похоже, все совсем серьезно.
Исследовательская установка (стенд)
Судя по контексту статьи, инженеры не ставили цель повторить реальные условия работы коленчатого или распределительного валов двигателя. Исследование носило фундаментальный характер и стенд был максимально упрощен. Для визуального наблюдения и видеосъемки процессов вообще использовали прозрачный акриловый вал и подшипник из кварцевого стекла. Но для измерения трения использовали все же «настоящие», стальные детали.
В магистраль подачи масла к подшипнику встраивался агрегат, создающий завихрение в потоке масла с помощью струи воздуха — вихревое сопло HELIX NOZZLE TH-3. То есть пузырьки создавались именно из атмосферного воздуха, а не некой заранее подготовленной газовой смеси. Контролировать размер пузырьков в точности это очень сложная задача, но усредненные параметры удалось измерить и зафиксировать: большинство пузырьков имело диаметр 50-60 мкм, а разброс — от 1 до 100 мкм.
В базовое масло без присадок ISO VG32 (точная марка не называется, но это масло для гидравлических систем, а не моторное) генератор пузырьков подавал воздух, а через час работы, когда масло достаточно насыщалось газом, начинались испытания. Вал вращался на частотах до 3000 об/мин при температуре 40 °C (ага, вот и первая «несостыковка» с реальностью: в картере ДВС масло имеет совсем другие температуры — ну точно не ниже 80-90 °C, а то и до 130-140).
Отдельно следует сказать, что количество пузырьков оставалось стабильным в течение достаточного времени, то есть, теоретически, можно заранее «запузыривать» масло прямо в двигателе и ездить, поддерживая необходимую концентрацию газа.
Результаты после внесения пузырьков
Попадая в зазор подшипника, микропузырьки воздуха деформируются и вытягиваются в направлении потока. Чем больше частота вращения вала, тем сильнее деформация. И вместе с тем растет эффект: момент трения снижается при испытаниях с пузырьками во всех случаях, но на высоких скоростях вала — сильнее.
И вот эти вытянутые пузырьки в масляной пленке и снижают трение. Гипотеза такая: чем ближе пузырьки к поверхности масляной пленки и чем их относительный объем больше, тем ниже трение. Это гипотеза. Для дополнительных исследований японцы строят более мощную установку, способную создавать больше пузырьков.
Эксперименты проводились как при центрированном положении вала, так и при эксцентричном (то есть когда радиальный зазор в нагруженном подшипнике соответственно одинаковый по всей окружности, или, что более соответствует практике, неравномерный). И что интересно, самое значительное снижение момента трения — на 5,2% — произошло при замере с наибольшим эксцентриситетом, что соответствует самому сильному нагружению подшипника радиальной нагрузкой. А при центрированном положении результат скромнее — снижение на 3,8%.
Выводы и много критики
Конечно, пытливый ум найдет слишком много «если». Систему можно поставить на реальный автомобиль, если генератор пузырьков не будет отъедать у двигателя мощности больше, чем сэкономит топлива на снижении трения. Если пузырьки будут хорошо работать при повышенных и отрицательных температурах. Если более высокие скорости вращения вала не станут выгонять пузырьки из масла, разрушать их или «слеплять». Если моторные масла вообще смогут эксплуатироваться при насыщении атмосферным воздухом и не будет непредсказуемых химических реакций. И так далее.
Но сама концепция очень занимательная: плюс один компрессор вместо присадок это как минимум экологично и на длинном плече представляется экономически обоснованным решением. Что, если моторное масло навсегда подешевеет процентов на 30 за счет того, что в вашем кроссовере появится еще один узел за 300 баксов? Да о таком можно только мечтать!
*A Fundamental Study on the Friction Reduction Characteristics of Microbubbles in Journal Bearings: Mechanics and Visualization by Yuki Yoshimura, Shodai Sakabe, Yuki Kawamoto, Akihiko Azetsu, Masayuki Ochiai.
Изображения принадлежат их уважаемым авторам и взяты из текста исследования, опубликованного в открытых источниках.
