Все примеси, которые попадают в двигатель с поступающим для сгорания воздухом, находящиеся в топливе или в масле, а также продукты износа деталей могут участвовать в образовании на них отложений. Количество и состав загрязнений зависят от конструкции, технического состояния, режима работы двигателя, своевременности и тщательности проведения технического обслуживания. Но особенно большое влияние на интенсивность образования высокотемпературных отложений оказывает качество сжигаемого топлива и применяемого масла. В стандартах, как на бензин, так и на дизельное топливо нормируются показатели, которые влияют на образование высокотемпературных отложений . Остановимся кратко на их рассмотрении.
В бензине и дизельном топливе в растворенном состоянии практически всегда содержатся смолистые и смолообразующие соединения, количество которых зависит от вида и состава топлива, технологии его получения и способов очистки. При хранении, особенно в неблагоприятных условиях (плохая герметизация резервуаров, наличие в них осадков и воды, хранение при повышенной температуре), количество смол увеличивается, иногда значительно, тогда топливо темнеет, а в некоторых случаях в нем накапливаются отложения. Более тяжелое по фракционному составу топливо, например дизельное, содержит большее количество смолистых соединений, что приводит к его неполному сгоранию и значительному накоплению нагаров на деталях двигателей.
Содержащиеся в топливе смолы откладываются в топливных баках, на стенках трубопроводов, забивают жиклеры карбюраторных двигателей. Смолистые соединения накапливаются также на горячих стенках впускного коллектора карбюраторных двигателей, на соплах форсунок дизелей, на клапанах и днище поршня, в камере сгорания, в поршневых канавках и др. При большом накоплении нагаров повышается износ двигателя, ухудшается процесс сгорания топлива, увеличивается его расход, а иногда двигатель полностью выходит из строя.
Различают смолы фактические, т. е. находящиеся в топливе в момент их определения в растворенном состоянии, и смолообразующие вещества - различные нестойкие соединения, например непредельные углеводороды, которые под действием времени, повышенной температуры, кислорода воздуха и других факторов переходят в смолы (их часто называют потенциальными смолами).
Стандартами нормируется содержание фактических смол . Сущность их определения заключается в испарении горячим воздухом определенного количества топлива при повышенной температуре (для бензина 150°С, дизельного топлива 250°С). Остаток, полученный после испарения, указывает на наличие фактических смол, которое оценивают в миллиграммах на 100 мл топлива. Для бензина различных марок оно составляет до 7- 15 мг/100 мл, а для дизельного топлива - до 30-60 мг/100 мл.
Если содержание фактических смол отвечает требованиям стандартов, двигатели длительное время работают без повышенного смоло- и нагарообразования. Нередко при эксплуатации техники содержание смол в топливе значительно больше. Доказано, что если оно в два-три раза выше нормы, то моторный ресурс карбюраторного двигателя снижается на 20-25%, а дизельного - на 40%. Кроме того, при эксплуатации возникают различные неполадки: зависают клапаны, закоксовываются форсунки и т. д.
Склонность бензина к накоплению смолистых веществ (стабильность) оценивают индукционным периодом, который характеризует способность бензина сохранять неизменный состав при правильных условиях перевозки, хранения и использования. Определяют этот показатель в лабораторной установке при искусственном окислении бензина (температура 100°С в атмосфере сухого и чистого кислорода при давлении 0,7 МПа (7 кгс/см2). Индукционный период - это время в минутах от начала окисления бензина до активного поглощения им кислорода. Для различных марок это значение находится в пределах 600-900 мин, а для бензинов со знаком качества оно составляет 1200 мин. Индукционный период большинства современных марок - не менее 900 мин. Как установлено исследованиями, такой бензин можно хранить до 1,0-1,5 лет, не опасаясь заметного ухудшения качества.
Для карбюраторных двигателей наиболее характерно накопление смолистых отложений, которые обнаруживаются в бензоотстойниках, на деталях карбюратора. При образовании горючей смеси смолистые соединения не могут испаряться и откладываются во всасывающем трубопроводе и на клапанах. В результате клапан перестает закрываться и зависает. Эти смолистые отложения и вызывают различные неполадки в работе топливоподающей аппаратуры и двигателя.
Для дизелей особенно нежелательно отложение лаков и нагаров на соплах форсунок, нарушающих, нормальный распыл подаваемого топлива, а следовательно, и его сгорание. В стандартах на дизельное топливо кроме фактических смол нормируют коксуемость и зольность, повышенное содержание которых вызывает интенсивное образование нагаров.
Большой вред (не только ускоренное образование нагара, но и быстрый износ деталей топливоподающей аппаратуры и двигателя в целом) наносят абразивные механические примеси , попадающие в двигатель с топливом и воздухом. По стандарту в бензине и дизельном топливе наличие механических примесей не допускается. Однако при хранении, транспортировке, приемо-отпускных операциях топливо обычно загрязняется пылью и песком из окружающего воздуха. Даже в чистом по внешнему виду топливе почти всегда содержится какое-то количество примесей. Вместе со смолистыми и коксообразующими веществами эти посторонние включения приводят к увеличению высокотемпературных отложений. Кроме того, проникающие в двигатель пылинки ускоряют его износ.
Если в топливе содержатся абразивные механические примеси, то срок службы насоса высокого давления в зависимости от загрязненности сокращается в пять-шесть раз. Абразив сокращает срок службы не только топливоподающей аппаратуры . Когда в камеру сгорания поступает загрязненное топливо, механические примеси проникают в зазоры между поршневыми кольцами и гильзой цилиндра, что ведет к их повышенному износу, и как следствие - к падению мощности, ухудшению экономичности, необходимости преждевременного ремонта.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОТЛОЖЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ
Исследование отложений в автомобильных двигателях.
Одним из резервов повышения показателей эксплуатационной надежности ДВС является снижение отложений нагаров, лаков и осадков на поверхностях их деталей, контактирующих с моторным маслом. В основе их образования лежат процессы старения масел (окисление углеводородов, входящих в состав масляной основы). Определяющее влияние на процессы окисления масла в двигателях, на образование отложений и эффективность работы ДВС в целом оказывает тепловой режим теплонагруженных деталей.
Ключевые слова: температура, поршень, цилиндр, моторное масло, отложения, нагар, лак, работоспособность, надежность.
Отложения на поверхностях деталей ДВС делятся на три основных вида - нагары, лаки и осадки (шламы).
Нагар - твердые углеродистые вещества, откладывающиеся во время работы двигателя на поверхностях камеры сгорания (КС). При этом отложения нагаров, главным образом, зависят от температурных условий даже при аналогичном составе смеси и одинаковой конструкции деталей двигателей. Нагар оказывает весьма существенное влияние на протекание процесса сгорания топливовоздушной смеси в двигателе и на долговечность его работы. Почти все виды ненормального сгорания (детонационное сгорание, калильное воспламенение и прочие) сопровождаются тем или иным влиянием нагара на поверхностях деталей, образующих КС.
Лак - продукт изменения (окисления) тонких масляных пленок, растекающихся и покрывающих детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя под действием высоких температур. Наибольший вред для ДВС наносит лакообразование в зоне поршневых колец, вызывая процессы их закоксовывания (залегания с потерей подвижности). Лаки, откладываясь на поверхностях поршня, контактирующих с маслом, нарушают должную теплопередачу через поршень, ухудшают теплоотвод от него.
На количество осадков (шламов), образующихся в ДВС, решающее влияние оказывает качество моторного масла, температурный режим деталей, конструкционные особенности двигателя и условия эксплуатации. Отложения этого типа наиболее характерны для условий зимней эксплуатации, интенсифицируются при частых пусках и остановках двигателя.
Тепловое состояние ДВС оказывает определяющее влияние на процессы образования различных видов отложений, прочностные показатели материалов деталей, выходные эффективные показатели двигателей, процессы изнашивания поверхностей деталей. В этой связи необходимо знать пороговые значения температур деталей ЦПГ, по крайней мере, в характерных точках, превышение которых приводит к указанным ранее негативным по следствиям.
Температурное состояние деталей ЦПГ ДВС целесообразно анализировать по значениям температур в характерных точках, расположение которых показано на рис. 1 . Значения температур в данных точках следует учитывать при производстве, испытаниях и доводке двигателей для оптимизации конструкций деталей, при выборе моторных масел, при сравнении тепловых состояний различных двигателей, при решении целого ряда других технических проблем конструирования и эксплуатации ДВС.
Рис. 1. Характерные точки цилиндра и поршня ДВС при анализе их температурного состояния для дизельных (а) и бензиновых (б) двигателей
Эти значения имеют критические уровни:
1. Максимальное значение температур в точке 1 (в дизельных двигателях - на кромке КС, в бензиновых - в центре донышка поршня) не должно превышать 350С (кратковременно, 380С) для всех серийно применяемых в автомобильном двигателестроении алюминиевых сплавов, иначе происходит оплавление кромок КС в дизелях и, нередко, прогар поршней в бензиновых двигателях. Ко всему прочему высокие температуры огневой поверхности днища поршня вызывают образование нагаров высокой твердости на этой поверхности. В практике двигателестроения это критическое значение температуры удается повышать путем добавления в поршневой сплав кремния, бериллия, циркония, титана и других элементов.
Недопущение превышения критических значений температур в этой точке, равно как и в объемах деталей ДВС, обеспечивается также путем оптимизации их форм и правильной организацией охлаждения. Превышение температурами деталей ЦПГ двигателей допустимых значений обычно является основным сдерживающим фактором для форсирования их по мощности. По температурным уровням следует иметь определенный запас с учетом возможных экстремальных условий эксплуатации.
2. Критическое значение температур в точке 2 поршня - над верхним компрессионным кольцом (ВКК) - 250…260С (кратковременно, до 290С). При превышении этой величины все массовые моторные масла коксуются (происходит интенсивное лакообразование), что приводит к “залеганию” поршневых колец, то есть потере их подвижности, и в результате - к существенному уменьшению компрессии, увеличению расхода моторного масла и др.
3. Предельное максимальное значение температур в точке 3 поршня (точка расположена симметрично по сечению головки поршня на внутренней его стороне) - 220С. При более высоких температурах на внутренней поверхности поршня происходит интенсивное лакообразование. Лаковые отложения, в свою очередь, являются мощным тепловым барьером, препятствующим теплоотводу через масло. Это автоматически приводит к повышению температур во всем объеме поршня, а значит, и на поверхности зеркала цилиндра.
4. Максимально допустимое значение температур в точке 4 (расположена на поверхности цилиндра, напротив места остановки ВКК в ВМТ) - 200С. При его превышении моторное масло разжижается, что приводит к потере стабильности образования масляной пленки на зеркале цилиндра и «сухому» трению колец по зеркалу. Это вызывает интенсификацию молекулярно-механического изнашивания деталей ЦПГ. С другой стороны, известно, что пониженная температура стенок цилиндра (ниже точки росы отработавших газов) способствует ускорению их коррозионно-механического изнашивания . Ухудшается также смесеобразование и уменьшается скорость сгорания топливовоздушной смеси, что снижает эффективность и экономичность работы двигателя, вызывая повышение токсичности отработавших газов. Также следует отметить, что при существенно заниженных температурах поршня и цилиндра сконденсированные водяные пары, проникающие в картерное масло, вызывают интенсивную коагуляцию примесей и гидролиз присадок с образованием осадков - «шламов». Эти осадки, загрязняя масляные каналы, сетки маслоотстойников, масляные фильтры, существенно нарушают нормальную работу смазочной системы.
На интенсивность протекания процессов образования отложений нагаров, лаков и осадков на поверхностях деталей ДВС существенно влияет старение моторных масел при их работе. Старение масел состоит в накоплении примесей (в том числе воды), изменении их физико-химических свойств и окислении углеводородов.
Изменение фракционного состава чистого залитого масла по мере работы двигателя вызывается в основном причинами, изменяющими состав его масляной основы и процентное соотношение присадок по отдельным составляющим (парафиновым, ароматическим, нафтеновым).
К ним относятся:
процессы термического разложения масла в зонах перегрева (например, в клапанных втулках, зонах верхних поршневых колец, на поверхностях верхних поясов зеркала цилиндров). Такие процессы приводят к окислению наиболее легких фракций масляной основы или даже их частичному выкипанию;
добавление к углеводородам основы неиспарившегося топлива, попадающего в начальные периоды пусков (или при резком увеличении подачи топлива в цилиндры для осуществления ускорения автомобиля) в маслосборник картера через зону поршневых уплотнений;
попадание в поддон картера или маслосборник двигателя воды, образующейся при сго-рании топлива в КС цилиндров.
Если система вентиляции картера действует достаточно эффективно, а стенки картера находятся в подогретом состоянии до 90-95°С, вода не конденсируется на них и удаляется в атмосферу системой вентиляции картера. Если температура стенок картера существенно понижена, то попавшая в масло вода будет принимать участие в процессах его окисления. Количество сконденсировавшейся воды при этом может быть весьма значительным . Даже если считать, что только 2% газов могут прорваться через все компрессионные кольца цилиндра, то через картер двигателя с рабочим объемом 2-2,5 л за каждые 1000 км пробега будет прокачиваться по 2 кг воды. Допустим, что 95% воды удаляется системой вентиляции картера, то все равно после пробега в 5000 км на 4,0 л моторного масла будет приходиться около 0,5 л Н2О. Эта вода при работе двигателя преобразуется антиокислительной присадкой, содержащейся в моторном масле, в примеси - кокс и золу.
По указанным ранее причинам необходимо поддерживать при работе двигателя температуру стенок картера достаточно высокой, а в случае необходимости - применять системы смазки с сухим картером и отдельным масляным баком.
Следует отметить, что мероприятия, замедляющие процессы изменения состава масляной основы, существенно замедляют образование нагара, лака и осадков, а также снижают интенсивность изнашивания основных деталей автомобильных двигателей.
Фракционный и химический состав масел может изменяться в достаточно широких
пределах под влиянием различных факторов:
характера сырья, зависящего от месторождения, свойств нефтяной скважины;
особенностей технологии изготовления моторных масел;
особенностей транспортировки и длительности хранения масел.
Для предварительной оценки свойств нефтепродуктов применяют различные лабораторные методы: определение кривой разгонки, температур вспышки, помутнения и застывания, оценку окисляемости в средах с различной агрессивностью и т.п.
В основе старения автомобильного моторного масла лежат процессы окисления, разложения и полимеризации углеводородов, которые сопровождаются процессами загрязнения масла различными примесями (нагаром, пылью, металлическими частичками, водой, топливом и пр.). Процессы старения существенно изменяют физико-химические свойства масла, приводят к появлению в нѐм разнообразных продуктов окисления и износа, ухудшают его эксплуатационные качества. Различают следующие виды окисления масла в двигателях: в толстом слое - в поддоне картера или в масляном баке; в тонком слое -на поверхностях горячих металлических деталей; в туманообразном (капельном) состоянии - в картере, клапанной коробке и т.п. При этом окисление масла в толстом слое даѐт осадки в виде шлама, а в тонком слое - в виде лака.
Окисление углеводородов подчиняется теории перекисей А.Н. Баха и К.О. Энглера, дополненной П.Н. Черножуковым и С.Э. Крейном. Окисление углеводородов, в частности, в моторных маслах ДВС, может идти по двум основным направлениям, представленным на рис. 2, результаты окисления по которым различны. При этом результатом окисления по первому направлению являются кислые продукты (кислоты, оксикислоты, эстолиды и асфальтогенные кислоты), образующие осадки при пониженных температурах; результатом окисления по второму направлению являются нейтральные продукты (карбены, карбоиды, асфальтены и смолы), из которых образуются в различных пропорциях при повышенных температурах или лаки, или нагары.
Рис. 2. Пути окисления углеводородов в нефтяном продукте (например, в моторном масле для ДВС)
В процессах старения масла весьма значительна роль воды, попадающей в масло при конденсации ее паров из картерных газов или другими путями. В результате этого образуются эмульсии, которые впоследствии усиливают окислительную полимеризацию молекул масла. Взаимодействие оксикислот и других продуктов окисления масла с водомасляными эмульсиями вызывает усиленное образование осадков (шламов) в двигателе.
В свою очередь, образовавшиеся частички шлама, если они не будут нейтрализованы присадкой, служат центрами катализации и ускоряют разложение еще не окислившейся части масла. Если при этом не произвести своевременную замену моторного масла, процесс окисления будет происходить по типу цепной реакции с увеличивающейся скоростью, со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Решающее влияние на образование нагаров, лаков и осадков на поверхностях деталей ДВС, контактирующих с моторным маслом, оказывает их тепловое состояние. В свою очередь, конструкционные особенности двигателей, условия их эксплуатации, режимы работы и т.д. определяют тепловое состояние двигателей и влияют, таким образом, на процессы образования отложений.
Не менее важное влияние на образование отложений в ДВС оказывают и характеристики применяемого моторного масла. Для каждого конкретного двигателя важно соответствие рекомендованного заводом-изготовителем масла температуре поверхностей деталей, контактирующих с ним.
В данной работе произведен анализ взаимосвязи температур поверхностей поршней двигателей ЗМЗ-402.10 и ЗМЗ-5234.10 и процессов образования на них отложений нагаров и лаков, а также произведена оценка осадкообразования на поверхностях картера и клапанной крышки двигателей при использовании рекомендованного заводом изготовителем моторного масла М 63/12Г1.
Для исследования зависимостей количественных характеристик отложений в двигателях от их теплового состояния и условий работы можно использовать различные методики, например, Л-4 (Англия), 344-Т (США), ПЗВ (СССР) и др. . В частности, по методике 344-Т, являющейся нормативным документом США, состояние «чистого» неизношенного двигателя оценивается в 0 баллов; состояние предельно изношенного и загрязненного двигателя в 10 баллов. Аналогичной методикой оценки лакообразования на поверхностях поршней является отечественная методика ПЗВ (авторы - К.К. Папок, А.П. Зарубин, А.В. Виппер), цветовая шкала которой имеет баллы от 0 (отсутствие лаковых отложений) до 6 (максимальные отложения лака). Для пересчета баллов шкалы ПЗВ в баллы методики 344-Т показания первой необходимо увеличить в полтора раза. Указанная методика аналогична отечественной методике отрицательной оценки отложений ВНИИ НП (10 балльная шкала).
Для экспериментальных исследований использовались по 10 двигателей ЗМЗ-402.10 и ЗМЗ-5234.10 . Эксперименты по исследованию процессов образования отложений проводились совместно с лабораториями испытаний легковых и грузовых автомобилей УКЭР ГАЗ на моторных стендах. В процессе испытаний, кроме прочего, контролировались расходы воздуха и топлива, давление и температура отработавших газов, температура масла и охлаждающей жидкости. При этом на стендах выдерживались режимы: частота вращения коленчатого вала, соответствующая максимальной мощности (100% нагрузки), и, поочередно, в течение 3,5 часов - 70% нагрузки, 50% нагрузки, 40% нагрузки, 25% нагрузки и без нагрузки (при закрытых дроссельных заслонках), т.е. эксперименты проведены по нагрузочным характеристикам двигателей. При этом температура охлаждающей жидкости выдерживалась в интервале 90…92С, температура масла в главной масляной магистрали - 90…95С. После этого двигатели разбирались и производились необходимые замеры.
Предварительно были проведены исследования по изменению физико-химических параметров моторных масел при испытаниях двигателей ЗМЗ-402.10 в составе автомобилей ГАЗ-3110 на автополигоне УКЭР ГАЗ. При этом выдержаны условия: средняя техническая скорость 30…32 км/ч, температура окружающего воздуха 18…26С, пробег до 5000 км. В результате испытаний получено - при увеличении пробегов автомобилей (времени работы двигателей) увеличивалось количество механических примесей и воды в моторных маслах, его коксовое число и зольность, происходили прочие изменения, что представлено в табл. 1
Нагарообразование на поверхностях днищ поршней двигателей ЗМЗ-5234.10 характеризовалось данными, представленными на рис. 3 (для двигателей ЗМЗ-402.10 результаты подобны). Из анализа рисунка следует, что при повышении температур днищ поршней от 100 до 300С толщина (зона существования) нагара уменьшалась с 0,45…0,50 до 0,10…0,15 мм, что объясняется выжиганием нагара при повышении температуры поверхностей двигателей. Твердость же нагара повышалась с 0,5 до 4,0…4,5 баллов по причине спекания нагара при высоких температурах.
Рис. 3. Зависимости нагарообразования на поверхностях днищ поршней двигателей ЗМЗ-5234.10 от их температур:
а - толщина нагара; б - твердость нагара;
символами нанесены усредненные экспериментальные значения
Оценка величин отложений лаков на боковых поверхностях поршней и их внутренних (нерабочих) поверхностях производилась также по десятибалльной шкале, согласно методике 344-Т, используемой во всех ведущих научно-исследовательских учреждениях страны.
Данные по лакообразованию на поверхностях поршней двигателей представлены на рис. 4 (результаты по исследуемым маркам двигателей совпадают). Режимы испытаний указаны ранее и соответствуют режимам при исследованиях нагарообразования на деталях.
Из анализа рисунка следует, что лакообразование на поверхностях поршней двигателей однозначно увеличивается с увеличением температур их поверхностей. На интенсивность лакообразования влияет не только повышение температур поверхностей деталей, но и длительность ее действия, т.е. продолжительность работы двигателей . При этом, однако, процессы лакообразования на рабочих (трущихся) поверхностях поршней существенно замедляются по сравнению с внутренними (нерабочими) поверхностями, вследствие стирания слоя лака в результате трения.
Рис. 4. Зависимости отложений лака на поверхностях поршней двигателей ЗМЗ-5234.10 от их температур:
а - внутренние поверхности; б - боковые поверхности; символами нанесены усредненные экспериментальные значения
Нагаро- и лакообразование на поверхностях деталей существенно интенсифицируется при применении масел групп «Б» и «В», что подтверждено рядом исследований, проведенных авторами на подобных и других типах автомобильных двигателей.
Планомерное увеличение отложений лаков на внутренних (нерабочих) поверхностях поршней вызывает уменьшение теплоотвода в картерное масло при увеличении наработки двигателей. Это вызывает, например, постепенное увеличение уровня теплового состояния двигателей по мере приближения наработки к смене масла при очередном ТО-2 автомобиля.
Образование осадков (шламов) из моторных масел происходит в наибольшей степени на поверхностях картера и клапанной крышки. Результаты исследований осадкообразования в двигателях ЗМЗ-5234.10 представлены на рис. 5 (для двигателей ЗМЗ-402.10 результаты подобны). Осадкообразование на поверхностях указанных ранее деталей оценивалось в зависимости от их температур, для измерения которых были смонтированы термопары (приварены конденсаторной сваркой): на поверхностях картера по 5 штук у каждого двигателя, на поверхностях клапанных крышек - по 3 штуки.
Как следует из рис. 5, при повышении температур поверхностей деталей двигателей осадкообразование на них уменьшается вследствие уменьшения содержания воды в картерном масле, что не противоречит результатам ранее проведенных экспериментов другими исследователями. Во всех двигателях осадкообразование на поверхностях деталей картера оказались больше, чем на поверхностях клапанных крышек.
На моторных маслах групп форсирования «Б» и «В» осадкообразование на деталях ДВС, контактирующих с моторным маслом, происходит интенсивнее, чем на маслах групп форсирования «Г», что подтверждено рядом исследований .
В данной работе исследования отложений на зеркалах цилиндров при эксплуатации двигателей на самых современных маслах не проводилось, однако, можно уверенно предположить, что для исследуемых двигателей они будут не больше, чем при их работе на менее качественных маслах.
Полученные результаты по взаимосвязи изменения температур основных деталей двигателей ЗМЗ-402.10 и ЗМЗ-5234.10 (поршней, цилиндров, клапанных крышек и масляных картеров) и количества отложений позволили выявить закономерности процессов образования нагаров, лаков и осадков на поверхностях указанных деталей. Для этого результаты аппроксимированы функциональными зависимостями методом наименьших квадратов и представлены на рис. 3-5. Полученные закономерности процессов образования отложений на поверхностях деталей автомобильных карбюраторных двигателей должны учитываться и использоваться конструкторами и инженерно-техническими работниками, занимающимися доводкой и эксплуатацией ДВС.
Двигатель автомобиля работает с наибольшей эффективностью лишь при определенных условиях. Оптимальный температурный режим теплонагруженных деталей является одним из таких условий и обеспечивает высокие технические характеристики двигателя с одновременным снижением износов, отложений и, следовательно, повышением показателей его надежности.
Оптимальное тепловое состояние ДВС характеризуется оптимальными температурами поверхностей их теплонагруженных деталей. Анализируя проведенные исследования процессов образования отложений на деталях исследуемых карбюраторных двигателей ЗМЗ и подобные исследования по бензиновым двигателям , можно с достаточной степенью точности определить интервалы оптимальных и опасных температур поверхностей деталей данного класса двигателей. Полученная информация представлена в табл. 2.
При температурах деталей двигателей в опасной низкотемпературной зоне увеличивается толщина нагара на поверхностях деталей, образующих КС, что приводит к возникновению детонационного сгорания топливовоздушных смесей, а также при низких температурах поверхностей деталей двигателей на них увеличивается количество осадков из моторных масел. Все это нарушает нормальную работу двигателей. В свою очередь отложения приводят к перераспределению тепловых потоков, проходящих через поршни, и повышению температур поршней в критических точках - в центре огневой поверхности днища поршня и в канавке ВКК. Температурное поле поршня двигателя ЗМЗ-5234.10 с учетом отложений нагаров и лаков на его поверхностях представлено на рис. 7.
Задача теплопроводности методом конечных элементов решалась с ГУ 1-рода, полученными при термометрировании поршня на режиме номинальной мощности при стендовых испытаниях двигателя. Термоэлектрические эксперименты проводились с тем же поршнем, для которого предварительно выполнены исследования температурного состояния без учета отложений. Эксперименты осуществлялись при идентичных условиях. Предварительно двигатель работал на стенде более 80 часов, после чего наступает стабилизация нагаров и лаков. В результате, температура в центре днища поршня повысилась на 24°С, в зоне канавки ВКК - на 26°С в сравнении с моделью поршня без учета отложений. Значение температуры поверхности поршня над ВКК 238°С входит в опасную высокотемпературную зону (табл. 2). Близко к опасной высокотемпературной зоне и значение температуры в центре днища поршня.
На этапе проектирования и доводки двигателей влияние отложений нагаров на тепловоспринимающих поверхностях поршней и лаков на их поверхностях, контактирующих с моторным маслом, учитывается крайне редко. Это обстоятельство в совокупности с эксплуатацией двигателей в составе АТС при повышенных тепловых нагрузках увеличивает вероятность отказов - прогары поршней, закоксовывание поршневых колец и т.д.
Н.А Кузьмин, В.В. Зеленцов, И.О. Донато
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Управление автомагистрали “Москва — Н.Новгород»
Одной из самых больших является накопление в них углеродистых отложений, что ухудшает их работу и даже приводит к серьезным неисправностям. Чаще всего нагар образуется в современных моторах с прямым впрыском бензина. Вот почему это происходит и как это предотвратить.
Откуда нагар?
Образование отложений углерода вызвано многими факторами и характерно для всех типов двигателей внутреннего сгорания - бензиновых и дизельных, безнаддувных и турбированных, с косвенным и прямым впрыском топлива.
Отложения в двигателе возникают в результате неидеального сгорания топливовоздушной смеси. Например, в двигателях с прямым впрыском бензина одной из причин углеродных отложений является сам способ подачи топлива - бензин в этом случае не моет клапана, а идет непосредственно в камеру сгорания . Это вызывает накопление отложений на клапанах и, следовательно, ограничивает со временем доступ кислорода в камеру сгорания, что в свою очередь приводит к неправильному сгоранию топливной смеси.
Если посмотреть на проблему более широко, нетрудно обнаружить и другие косвенные причины появления нагара в двигателях автомобилей. Они связаны с тем, что за последние годы большинство автолюбителей изменили способ использования автомобиля. Сегодня все больше людей эксплуатируют автомобиль как велосипед, общественный транспорт или для короткой прогулки/поездки в магазин.
Чаще всего крупные накапливаются в двигателях транспортных средств, эксплуатируемых в городском режиме, на небольших расстояниях. И неважно, о какой марке и модели идет речь. Важен способ использования автомобиля: низкая скорость, низкие рабочие температуры, использование авто без прогрева двигателя - вот главная формула, гарантирующая быстрое появление нагара в двигателе, - объясняет эксперт «Профмоторсервиса» Владимир Дроздовский.
Плюс добавьте к этому факт, что многие современные бензиновые двигатели сегодня часто оснащены турбонаддувом, а это означает, что турбированный автомобиль в городском режиме чаще всего используется на низких оборотах двигателя. В верхнем же диапазоне оборотов турбомоторы сегодня редко используются в условиях города. Но даже безнаддувные современные моторы с непосредственным прямым впрыском бензина также не стимулируют владельцев ездить на высоких оборотах. Дело в том, что сегодняшние атмосферные двигатели неплохо генерируют высокий крутящий момент на низких оборотах . Соответственно, у автовладельца отпадает необходимость часто ездить на высоких оборотах. Это существенное отличие бестурбинных современных моторов от двигателей 20-летней давности.
К сожалению, из-за более низких оборотов прогреваются дольше (плюс не забывайте, что многие двигатели сегодня алюминиевые, быстро теряющие свою температуру нагрева, в отличие от старых чугунных), а низкие обороты не позволяют естественным образом удалить из двигателя углеродистые отложения. В итоге в силовом агрегате на различных деталях начинают скапливаться отложения.
В прошлом, до 2000 об/мин, было невозможно ездить даже с постоянной скоростью. Сегодня во время ускорения вам не нужно их превышать. Отсюда большое накопление отложений в двигателе.
Еще одна причина образования нагара - это неправильная замена масла и несвоевременное обслуживание двигателя . Например, главным врагом любого двигателя внутреннего сгорания является увеличение интервалов замены моторного масла. Ведь известно, что чем дольше не меняется масло в двигателе, тем больше в нем образуется побочных продуктов. К сожалению, сегодня многие производители намеренно увеличили свои межсервисные интервалы по замене масла. Например, многие автопроизводители увеличили интервалы замены масла с 10 тыс. км до 15 тыс. км (в России).
По их мнению, современная конструкция двигателя, электроника и качество синтетических масел позволяют без вреда двигателю использовать моторное масло в течение 15 тыс. км. Некоторые производители пошли еще дальше, расширив межсервисный интервал до 20 тыс. км. А посмотрите на рекомендации производителей в Европе и вы будете удивлены. Там по сравнению с Россией межсервисные интервалы по замене масла увеличены еще больше - до 25 тыс. км и даже 30 тыс. км!
Но мы уже рассказывали вам, почему не нужно слушать дилера и завод, строго соблюдая рекомендации по замене масла. В большинстве случаев нужно понять, что рекомендации производителей касаются общих легких условий эксплуатации автомобиля. Если же вы используете машину преимущественно в городе, то сразу можете смело снижать рекомендованный максимальный пробег автомобиля до замены масла на 20-30 процентов. Если используете авто на короткие расстояния на недогретом моторе, без колебаний делите рекомендации производителя на два.
Но масло - это полбеды. Сегодня в сложных экономических условиях, когда доходы населения оставляют желать лучшего, а стоимость топлива уже приближается к стоимости 1 литра молока, многие водители стараются сэкономить на техническом обслуживании своих автомобилей, посещая не только неавторизованные неофициальные технические сервисы, но и не очень профессиональных мастеров, работающих в так называемых гаражных автосервисах. Да, это дает возможность автовладельцам неплохо сэкономить на обслуживании и сберечь время. Но есть одна проблема. В таких дешевых гаражных автосервисах у многих автослесарей нет возможности подключить транспортное средство к компьютеру для обновления программного обеспечения автомобиля и для диагностики возможных проблем .
А знаете ли вы, что самой частой причиной образования излишнего нагара в двигателе является необновленное программное обеспечение блока управления двигателем? Ведь из-за этого двигатель машины может работать неправильно, в результате чего происходит неправильное сгорание топливной смеси. А производители часто обновляют программное обеспечение своим автомобилям.
Еще одной из непосредственных причин накопления углеродистых отложений является неправильная синхронизация работы двигателя, за которую отвечает ремень ГРМ/цепь ГРМ. К сожалению, в бензиновых моторах ремень и даже цепь имеют тенденцию растягиваться. Это проблема многих современных двигателей (хорошим примером являются популярные в мире двигатели TSI/TFSI). Если натяжка цепи или ремня ослабевает, происходит рассинхронизация системы газораспределения, что в свою очередь приводит к неправильному сгоранию топливной смеси.
Отсюда делаем вывод: все, что оказывает косвенное или прямое влияние на ход процесса сгорания, является причиной накопления углеродистых отложений в двигателе. Это также относится к некачественному топливу или работе системы зажигания (катушки, и т. д.).
Как предотвратить накопление в двигателе углеродистых отложений?
Вышесказанное позволяет сделать простой общий вывод: вам нужно позаботиться о двигателе вашего автомобиля. Как? Все очень просто. Вам нужно регулярно посещать технический центр. И не только когда пришло время менять масло в двигателе. Желательно заезжать в сервис чаще, проводя компьютерную диагностику. Вы должны рассматривать двигатель вашего автомобиля как целостный механизм, не разделяя его на области, обслуживая каждую по очереди . Таким образом, проверка двигателя не должна ограничиваться заменой масла и фильтра, а должна включать полную диагностику мотора, в том числе обновление программного обеспечения.
Кроме того, чем чаще вы будете подключать машину к компьютеру, тем больше вероятности, что вовремя обнаружите проблемы. Ведь механик не всегда может своевременно понять, что, например, какая-то катушка зажигания начала работать неправильно. Но подключив диагностическое оборудование, он может узнать об этом, прежде чем машина начнет показывать признаки неисправности.
При разгонке нефти с низким содержанием сернистых соединений, получают дизельные топлива с высокой химической стабильностью. Такие топлива долго сохраняют свои качества (более 5 лет хранения).
После применения такого топлива в дизельном двигателе появляется нагар и смолистые отложения. Причиной этого являются неполное испарение и плохое распыление ДТ внутри цилиндров из-за большой вязкости топлива с тяжелым фракционным составом. Кроме этого, наличие механических примесей в ДТ является причиной нагарообразования.
Следовательно, присутствие в топливе серы, фактических смол, золы (несгораемых примесей) и склонность такого топлива к нагарообразованию определяет динамику накопления нагара, которая характеризуется коксовым числом, т.е. способностью топлива образовывать углистый остаток при высокотемпературном (более 800…900?С) разложении топлива без доступа воздуха.
Углистый остаток или минеральный остаток является золой, т.е. несгораемой примесью, повышающей нагарообразование. Кроме этого, зола попадая в моторное масло вызывает ускоренный износ деталей ДВС. Поэтому количество золы ограничивается нормой не более 0,01%. Таким образом, причиной образования углистого остатка являются следующие факторы:
1) недостаточная глубина очистки топлива от смолисто-асфальтеновых соединений;
2) повышенная вязкость дизельного топлива;
3) тяжелый фракционный состав топлива.
Также склонность ДТ к нагару характеризуется содержанием в нем фактических смол, т.е. примесей, остающихся после очистки базовых дистилляторов. Фактические смолы вызывают осмоление топлива, из-за наличия в топливе непредельных углеводородов, о количестве которых судят по йодному числу.
Йодное число - это показатель непредельных углеводородов (олефинов) в дизельном топливе, численно равный количеству граммов йода, присоединившихся к непредельным углеводородам, которые содержатся в 100г топлива.
Обычно, непредельные углеводороды (олефины) вступают в реакцию соединения с йодом. То есть, чем больше в топливе непредельных углеводородов, тем больше йода вступает в реакцию. Нормальным считается такое количество непредельных углеводородов, которые вступают в реакцию с йодом не превышающим более 6г йода на 100г зимнего или летнего дизельного топлива.
Чем больше в дизельном топливе фактических смол, тем выше склонность его к нагарообразованию. Поэтому содержание фактических смол не должно превышать:
· для зимних ДТ - 30мг на 100мл;
· для летних ДТ - 60мг на 100мл.
Склонность ДТ к лакообразованию оценивается по содержанию лака в мг на 100мл топлива. Для этого топливо испаряют в специальном лакообразователе при температуре 250?С.
Выводы:
1) При работе дизельного двигателя на сернистом топливе образуются прочные трудноудаляемые нагар и лаковые отложения, что вызывает износ деталей двигателя, когда он работает на пониженной температуре.
2) Коксуемость топлива также приводит к образованию нагара и лакообразованию, в результате чего может произойти заклинивание поршневых колец.
3) Из-за наличия в топливе частиц меркаптовой серы при окислении топлива образуются смолы, которые в сочетании со смолами, образующимися из олефинов и еще фактическими смолами, которые есть в ДТ, на зоморных иглах форсунок осаждаются лаковые пленки, что со временем вызывает зависание игл внутри форсунок.
4) Многофункциональные присадки и их влияние на свойства дизельных топлив.
Улучшение свойств ДТ достигается путем введения в их состав многофункциональных присадок, таких как:
· Депрессорные;
· Повышающие цетановое число;
· Антиокислительные;
· Моюще-дисперсирующие;
· Снижающие дымность отработанных газов и др.
Антидымные присадки марок МСТ-15, АДП-2056, ЭФАП-6 в концентрации 0,2…0,3 позволяют снизить дымность отработавших газов на 40…50% и уменьшить содержание сажи.
Противокоррозионная присадка марки нафтенат цинка в концентрации 0,25…0,3%, добавленная в моторное масло эффективно нейтрализует разрушающее действие кислот.
Для повышения цетанового числа ДТ улучшения его пусковых свойств используют присадки: тионитраты RNSO; изпропилнитраты; перекиси RCH 2 ONO в концентрации 0,2…0,25%.
Депрессорные присадки - сополимеры этилена и винилацетана с концентрацией 0,001…2,0% используются для понижения температуры застывания. Они покрывают мономолекулярным слоем микрокристаллики застывающего парафины, препятствуют их укрупнению и выпаданию.
Антиокислительные присадки в концентрации 0,001…0,1% повышают термоокислительную стойкость топлив.
Антикоррозионные присадки в концентрации 0,0008…0,005% понижают коррозионную агрессивность дизельных топлив.
Биоцидные присадки в концентрации 0,005…0,5%, которые подавляют размножение микроорганизмов в топливе.
Многофункциональные присадки, состоящие из депрессорных, моющих и противодымных компонентов, которые не только расширяют низкотемпературные свойства топлив, но и снижают токсичность отработавших газов. Например, введение присадки АДДП в дизельное топливо в количестве 0,05…0,3% снижает температуру застывания топлива на 20…25%, а температура фильтруемости при этом снижается на 10…12?С, дымность - на 20…55?С, а нагарообразование - на 50…60%.
Таким образом, введение в дизельное топливо различных присадок и добавок значительно улучшает его эксплуатационные свойства.
Осадки или маслоотложения в двигателе представляют собой липкие мазеобразные вещества от серокоричневого до черного цвета, откладывающиеся во время работы в двигателе: картере, в клапанной коробке, маслосистеме и на фильтрах. В целом, это эмульсия воды в масле, загрязненном различными примесями. Основной причиной образования отложений является попадание воды в картерное масло. Состав и количество осадков непостоянно и зависит от условий, при которых он образуется. Например, с увеличением вязкости масла количество отложений в двигателе уменьшается.
Наличие отложений не только неприятно, но и представляет большую опасность, так как могут закупорить маслоприемник, маслопроводы, маслопроводные каналы и фильтры. Если они будут забиты осадками, то нарушится нормальная подача масла и может произойти выплавление («проворот») вкладышей подшипников, задир шеек коленвала и даже заклинивание двигателя. Если фильтр забит отложениями, то неочищенное масло, обходя его, поступает к трущимся деталям, вызывая их повышенный износ, пригорание и т.д. Отложения могут со временем уплотниться и затвердетьтак, что от них трудно очистить детали даже механическим способом. При сильных маслоотложениях в двигателе качество свежезалитого моторного масла очень быстро ухудшается. Поэтому, чем чаще меняется отработанное масло в двигателе, тем меньше осадкообразование.
Наиболее сильно на отложения в двигателе влияют: вентиляция картера, температура входящего во впускной коллектор воздуха, температура охлаждающей жидкости, фракционный состав топлива. Вентиляция картера способствует удалению газов, прорывающихся из камер сгорания, и паров воды. Поэтому, при плохой вентиляции применение даже самого лучшего масла все равно будет приводить к осадкообразованию. С повышением температуры входящего в двигатель воздуха, а также и с повышением температуры охлаждающей жидкости осадкообразование уменьшается, так как возможность для конденсации паров воды в картере уменьшается. Увеличению количества отложений в двигателе способствует плохоесмесеобразование и сгорание топлива, применение этилированного бензина, содержащего свинцовые соединения, а также режим работы двигателя.
Для создания условий, приводящих к увеличению маслоотложений, наиболее опасна работа двигателя на легких режимах. Эксплуатация машины с малыминагрузками, небольшой скоростью, продолжительной работой двигателя на холостом ходу, частыми остановками или непродолжительными поездкамиприводит к разжижению масла горючим и более сильному загрязнению и старению масла.
В процессе работы двигателя масло темнеет из-за:
. Окисления и разложения при контакте моторного масла с продуктами сгорания топлива и нагретыми до высоких температур частями двигателя.
Накапливания продуктов неполного сгорания топлива. По мере увеличения срока службы двигателя и его изнашивания, в связи с увеличением зазоров между сопряженными деталями, прорыв продуктов из камеры сгорания в картер и загрязнение масла увеличиваются. Поэтому в новых двигателях масло темнеет меньше, чем в изношенных. Потемнение масла это также признак того, что оно выполняет свои функции, благодаря содержанию в нем эффективных присадок, масло смывает и удерживает в своем объеме продукты окисления и «грязь», попавшую в двигатель, сохраняя чистыми внутренние поверхности двигателя и защищая их от нагарообразования.
Как часто надо менять масло? Производитель двигателя - единственный, кто вправе это определять. Обычно рекомендуется либо пробег, либо временной интервал (что наступит раньше). Поэтому менять масло следует в соответствии с инструкцией по эксплуатации автомобиля. Производитель исходит при этом из возможности использования масла, качество и характеристики которого минимально соответствует требованиям соответствующих спецификаций. В неблагоприятных условиях эксплуатации, тоже указанных в инструкции, масло следует менять чаще. Российские условия, как правило, неблагоприятные и поэтому масло у нас меняют чаще, чем, например, в Европе.
