Отложения в двигателе
Изменение свойств масла в работающем двигателе
Основные изменения свойств в работающем двигателе происходят по следующим причинам:
- высокотемпературные и окислительное воздействие;
- механохимические преобразования компонентов масла;
- постоянное накопление:
- продуктов преобразования масла и его компонентов;
- продуктов сгорания топлива;
- воды;
- продуктов износа
- загрязнений, попадающих в виде пыли, песка и грязи.
Окисление
В работающем двигателе горячее масло постоянно циркулирует и контактирует с воздухом, продуктами полного и неполного сгорания топлива. Кислород воздуха ускоряет окисление масла. Этот процесс происходит быстрее в маслах склонных к пенообразованию. Металлические поверхности деталей выступают в роли катализаторов процесса окисления масла. Масло нагревается, соприкасаясь с нагретыми деталями (в первую очередь, с цилиндрами, поршнями и клапанами), что значительно ускоряет процесс окисления масла. Результатом могут стать твёрдые продукты окисления (отложения).
На характер изменения масла в работающем двигателе оказывают влияние не только химические превращения молекул масла, но и продукты полного и неполного сгорания топлива, как в самом цилиндре, так и прорвавшиеся в картер.
Влияние температуры на окисление моторного масла.
Выделяются два вида температурного режима двигателя:
- работа полностью прогретого двигателя (магистральный режим).
- работа не прогретого двигателя (частые остановки автомобиля).
В первом случае наблюдается высокотемпературный режим изменения свойств масла в двигателе, во втором — низкотемпературный. Существует множество промежуточных условий работы. При определении уровня качества масла, моторные испытания проводятся как в высокотемпературном, так и в низкотемпературном режимах.
Продукты окисления и изменениехарактеристик моторного масла.
Кислоты (aсides). Наиболее существенными продуктами окисления масла являются кислоты. Они вызывают коррозию металлов, а на нейтрализацию образующихся кислот расходуются щелочные присадки, вследствие чего ухудшаются диспергирующие и моющие свойства и сокращается ресурс работы масла. Возрастание общего кислотною числа, TAN (total acid number) является основным показателем образования кислот.
Углеродистые отложения в двигателе (carbon deposits). На горячих поверхностях деталей двигателя образуются разнообразные углеродистые отложения, состав и строение которых зависят от температуры поверхностей металла и масла. Различают три вида отложений:
- нагар,
- лак,
- шлам.
Необходимо подчеркнуть, что образование и накопление отложений на поверхности деталей двигателя является результатом не только недостаточной окислительной и термической стабильности масла, но и недостаточной его моющей способности. Поэтому износ двигателя и снижение ресурса масла является комплексным показателем качества масла.
Нагар (varnish, carbon deposits) это продукты термической деструкции и полимеризации (cracking and polymerisation) масла и остатков топлива. Он образуется на сильно нагретых поверхностях (450° — 950°С). Нагар имеет характерный черный цвет, хотя иногда может быть белого, коричневого или другого цвета. Толщина слоя отложении периодически изменяется — когда отложений много, ухудшается отвод тепла, повышается температура верхнего слоя отложений и они сгорают. Меньшее количество отложений образуется в разогретом двигателе, работающем по нагрузкой. По структуре, отложения бывают монолитными,плотными или рыхлыми.
Нагар оказывает отрицательное влияние на работу и состояние двигателя. Отложения в канавках поршня вокруг колец препятствуют их движению и прижиманию к стенкам цилиндра (заклинивание, залипание, прихватывание колец (ring sticking). В результате заклинивания и затруднения движения колец, они не прижимаются к стенкам и не обеспечивают компрессию в цилиндрах, мощность двигателя падает, возрастает прорыв газов в картер и расход масла. Прижимание колец отложениями к стенкам цилиндра приводит к чрезмерному износу цилиндров (excessive wear).
Полирование стенок цилиндров (bore polishing) — отложения на верхней части поршней (piston top land) полируют внутренние стенки цилиндров. Полировка препятствует удержанию и сохраняемости масляной пленки на стенках и значительно ускоряет скорость износа.
Лак (lacquer). Тонкий слой твердого или клейкого углеродистого вещества от коричневого до черного цвета, который образуется на умеренно нагретых поверхностях вследствие полимеризации тонкого слоя масла в присутствии кислорода. Лаком покрываются юбка и внутренняя поверхность поршня, шатуны и поршневые пальцы, стержни клапанов и нижние части цилиндров. Лак значительно ухудшает отвод тепла (особенно поршня), снижает прочность и сохраняемость масляной пленки на стенках цилиндров.
Отложения в камере сгорания (combustion chamber deposits) образуются из частиц углерода (кокса), в результате неполного сгорания топлива и солей металлов входящих в состав присадок в результате термического разложения остатков масла попадающих в камеру. Эти отложения накаляются и вызывают преждевременное возгорание рабочей смеси (до появления искры). Такое зажигание называется преждевременным или калильным зажиганием (preignition). Это создает дополнительные напряжения в двигателе (детонация), что приводит к ускоренному износу подшипников и коленчатого вала. Кроме того, перегреваются отдельные части двигателя, снижается мощность, повышается расход топлива.
Засорение свечей зажигания (spark plug fouling). Отложения, скопившиеся вокруг электрода свечи, замыкают искровой промежуток, искра становится слабой, зажигание — нерегулярным. В результате этого снижается мощность двигателя и повышается расход топлива.
Смолы, шлам, смолистые отложения (осадки) (resins, sludge, sludgy deposits) в двигателе шлам образуется в результате:
- окисления и других превращений масла и его компонентов;
- накопления в масле топлива или продуктов разложения и неполного сгорания;
- воды.
Смолистые вещества образуются в масле в результате его окислительных превращений (сшивания окисленных молекул) и полимеризации продуктов окисления и неполного сгорания топлива. Образование смол усиливается при работе недостаточно прогретого двигателя. Продукты неполного сгорания топлива прорываются в картер двигателя при продолжительной работе на холостом ходу или в режиме стоп-старт. При высокой температуре и интенсивной работе двигателя, топливо сгорает полнее. Для уменьшения смолообразования и моторные масла вводятся диспергирующие присадки, которые предотвращают коагуляцию и осаждение смол. Смолы, углеродистые частицы, водяной пар, тяжелые фракции топлива, кислоты и другие соединения конденсируются, коагулируют в более крупные частицы и образуют в масле шлам, т.н. черный шлам (black sludge).
Шлам (sludge) — это суспензия и эмульсия в масле из нерастворимых твердых и смолистых веществ от коричневого до черного цвета. Состав картерного шлама:
- масло 50-70%
- вода 5-15%
- продукты окисления масла и неполного сгорания горючего, твердые частицы — остальное.
В зависимости от температуры двигателя и масла, процессы шламообразования несколько различаются. Различают низкотемпературный и высокотемпературный
Низкотемпературный шлам (low temperature sludge). Образуется при взаимодействии в картере прорывных газов, содержащих остатки топлива и воды, с маслом. В не прогретом двигателе вода и топливо испаряются медленнее что способствует образованию эмульсии, которая впоследствии превращается в шлам.Образование шлама в картере (sludge in the sump)является причиной:
- возрастания вязкости (загустения) масла (viscosity increase);
- закупоривания каналов системы смазки (blocking of oil ways);
- нарушение подачи масла (oil starvation).
Образование шлама в коробке распределительного механизма (rocker box) является причиной недостаточной вентиляции этой коробки (foul air venting). Образовавшийся шлам является мягким, рыхлым, однако при нагреве (при продолжительной поездке)становится твердым и хрупким.
Высокотемпературный шлам (hightemperature sludge). Образуется в результате соединения междусобой окисленных молекул масла под влиянием высокой температуры. Увеличение молекулярной массы масла приводит к повышению вязкости.
В дизельном двигателе образование шлама и увеличение вязкости масла вызывается накоплением сажи. Образованию сажи способствуют перегрузки двигателя и увеличение жирности рабочей смеси.
Расход присадок. Расход, срабатывание присадок является определяющим процессом снижения ресурса масла. Наиболее важные присадки моторного масла — моющие, диспергирующие и нейтрализующие, расходуются на нейтрализацию кислотных соединений, задерживаются в фильтрах (вместе с продуктами окисления) и разлагаются при высоких температурах. О расходе присадок косвенно можно судить по уменьшению общего щёлочного числа TBN. Кислотность масла повышается вследствие образования кислотных продуктов окисления самого масла и серосодержащих продуктов сгорания топлива. Они реагируют с присадками,щелочность масла постепенно уменьшается что приводит к ухудшению моющих и диспергирующих свойств масла.
Влияние увеличения мощности и форсирования двигателя. Противоокислительные и моющие свойства масла особенно важны при форсировании двигателей. Бензиновые двигатели форсируются путем увеличения степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала, а дизельные — увеличением эффективного давления (в основном при при помощи турбонаддува) и частоты вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения коленчатого вала на 100 оборотов в минуту или при повышении эффективного давления на 0,03 Мпа, температура поршня увеличивается на 3°С. При форсировании двигателей обычно уменьшают их массу, что приводит к увеличению механических и тепловых нагрузок на детали.
Моторные масла «Автомобильные смазочные материалы и специальные жидкости» НПИКЦ, Санкт Петербург. Балтенас, Сафонов, Ушаков, Шергалис.
Предоставлено Dmitriy67
Обсуждение на форуме Изменение свойств масла в работающем двигателе
