3.3.5. Характер и классификация отложений в автомобильных двс

В двигателях могут встречаться три основных вида отложений: нагар, лак и осадки (шлам) [4, 5, 6].

Нагар – твердые углеродистые вещества, откладывающиеся во время работы двигателя на поверхностях камеры сгорания, днище и головке поршня. Нагар может различаться по цвету, твёрдости и структуре.

При повышении температуры детали выше определённых пределов происходит так называемое выжигание нагара на её поверхности. Увеличение температуры на поверхностях камеры сгорания обычно уменьшает толщину нагара, но повышает его твёрдость вследствие «спекания» нагара. Анализ нагара по химическому составу весьма разнообразен. В нагаре, как правило, находятся продукты окисления углеводородов (смолы, асфальтены, карбены, карбоиды), а в состав несгораемой части (золы) нагара входят свинец, железо и другие механические примеси. Нагар различается как по глубине окисления, так и по химическому составу несгораемых примесей. Испытания, проведённые в НГТУ им. Р.Е. Алексеева по программе совершенствования и доводки новых модификаций автомобильных ДВС Горьковского автозавода, показали, что приведённая ранее схема окисления углеводородов в жидкой фазе (по перекисной теории А.Н. Баха и К.О. Энглера) справедлива и для твёрдой фазы нагара. Механизм такого окисления связан с воздействиями при последовательных замещениях типа донорно-акцепторных связей, на что указывают как данные количественного анализа нагара, откладывающегося при разных температурах, так и данные его других исследований.

В настоящее время считается установленным, что образование нагара в камерах сгорания ДВС может происходить как путем осаждения на их поверхности продуктов сгорания, так и в результате процессов окисления углеводородных соединений, попадающих в жидком виде на нагретые поверхности камер сгорания.

Ввиду того, что основная часть нагара, образовавшегося в камере сгорания, выносится с выхлопными газами, нагарообразующая способность топлива не может однозначно характеризовать картину нагарообразования в двигателе. Нагарообразование в ДВС зависит от следующих факторов:

а) температурных условий в камере сгорания и состава смеси;

б) режима работы двигателя;

в) условий эксплуатации двигателя;

г) качества топлива и масла.

На процессы нагарообразования в двигателе оказывают влияние как состав смеси и особенности конструкции (характер распределения тепловых потоков, степень турбулизации заряда в процессах горения и расширения рабочего тела, а также при выпуске из цилиндра двигателя), так и особенности технологических процессов изготовления деталей (например, микропрофиль поверхностей камер сгорания, материал этих поверхностей и др.).

Нагарообразование в двигателях подчиняется следующим закономерностям:

а) отложения нагара в камерах сгорания зависят, главным образом, от температурных условий (при аналогичном составе смеси и одинаковой конструкции камеры сгорания);

б) скорость отложения нагара наиболее велика в начальный период работы двигателя, по мере увеличения толщины нагара она всё более и более замедляется до периода стабилизации его толщины;

в) при работе двигателя в постоянных условиях через определенный период времени наблюдается стабилизация толщины слоя нагара (так называемая зона существования нагара, величина которой определяется температурными условиями поверхности, где откладывается нагар).

В различных работах обосновываются разнообразные концепции образования и роста нагара. В результате испытаний и доводочных работ для двигателей Горьковского автомобильного завода, проводимых в НГТУ с 1961 г., было выяснено, что характер нагарообразования для испытанных модификаций имел ряд общих зависимостей.

Применение количественных способов оценки при составлении таких зависимостей (например, между процессами нагарообразования и температурами поверхностей камер сгорания) в различных условиях работы, на разных сортах топлив и масел позволило наметить и осуществить конкретные пути по снижению нагарообразования, а следовательно, и по повышению надёжности и долговечности ДВС.

Для нового, обкатанного двигателя, детали которого не изношены, а материалы деталей и зазоры для прохода смазки выбраны правильно, необходим подбор такого теплового режима, при котором происходило бы «выжигание» откладывающегося нагара. В случае если это невозможно обеспечить (для днищ, поршней, находящихся в непосредственной близости от канавок верхних компрессорных колец), необходимым условием уменьшения отложений нагара является выбор таких температур в каждой зоне двигателя, при которых откладывание нагара будет происходить с наименьшей интенсивностью. Величины таких температур зависят от сорта смазки, толщины слоя масла, условий сохранения геометрии деталей двигателя при его работе, характера работы пар трения, удельных и максимальных нагрузок на поверхностях трения и т.п.

Нагар оказывает весьма интенсивное влияние как на протекание рабочего процесса в двигателе, так и на долговечность его работы. Надёжность двигателя также зависит от скорости и характера протекания процессов нагарообразования. Почти все виды ненормального сгорания (неуправляемые процессы сгорания, стуки, самовоспламенение, так называемой рамбл-грохот и другие виды нарушений) сопровождаются тем или иным влиянием нагара на процессы горения смеси в двигателе. Весьма существенное влияние нагар оказывает и на процессы старения масла (например, при его попадании в зону поршневых колец), что будет рассмотрено нами далее.

Другие виды отложений в двигателе – это лаковые отложения и осадки (шлам).

Лак – это продукт изменения (окисления) тонких масляных плёнок, растекающихся и покрывающих детали двигателя под действием высоких температур. Механизм лакообразования тесно связан с условиями работы масла на поверхностях деталей двигателя, нагретых до относительно высоких температур (от 100°С до 280…320°С). Наибольший вред наносит лакообразование на боковой поверхности поршня, в зоне компрессионных колец, вызывая процессы их закоксовывания.

Процессы интенсивного лакообразования наносят большой вред работе автомобильных двигателей: «залегание» колец (особенно верхнего компрессионного кольца), прорыв газов в картер, (что вызывает ускорение старения масла и ухудшение его свойств, например, вследствие образования водомасляных эмульсий), потеря компрессии и т.п. При нарастании скорости закоксовывания поршневых колец резко сокращается моторесурс двигателя, и он преждевременно выходит из строя. Подобные дефекты широко распространены, в особенности при переходе на высокофорсированные режимы работы при модернизации существующих образцов двигателей и при создании новых марок двигателей, вследствие чего требуется проведение большого объёма доводочных работ по упорядочению тепловых режимов основных деталей ДВС.

Отложения лака на нерабочих поверхностях, хотя и не имеют столь вредных последствий, также нежелательны. Лаковый слой, откладывающийся на деталях, ухудшает теплоотвод и способствует их перегреву.

Некоторые исследователи считают, что при высокой степени форсирования двигателя интенсивное лакообразование может быть даже причиной «прогара» поршней. В действительности это совместный результат действия давления газов и местного перегрева зоны днища поршня до температур, близких к размягчению (почти до температуры плавления) алюминиевого сплава, из которого изготовлен поршень. Подобные явления наблюдались, в частности, в зонах перегрева днищ поршней двигателей ГАЗ-51, форсированных моделей и ГАЗ-51Ф, работавших по форкамерно-факельному циклу. Измерение температур поршней, выполненное в НГТУ им. Р.Е. Алексеева, показало, что температуры днища поршня в зоне выпускного клапана при этом достигли 510…580°С. Осуществление Горьковским автозаводом ряда конструктивных мероприятий по снижению температур днища поршня и в канавке верхнего поршневого кольца (увеличение проходных сечений для охлаждающей жидкости, повышение высоты головки поршня и т.п.) понизило максимальные температуры в зоне колец до 240…265°С, и дефект закоксовывания колец на данной марке двигателя практически прекратился. Позднее это конструктивное изменение было распространено и на двигатель ГАЗ-51, высота головки поршня которого была увеличена за счёт уменьшения числа компрессионных колец. В настоящее время поршни аналогичной конструкции имеет двигатель ГАЗ-52-04.

Лак, как и нагар, различается по цвету и характеру его поверхности, а также по химическому составу. Доказано, что лаковые отложения – это продукт конденсации оксикислот. Химический состав лака включает в себя углерод (около 80%), кислород (10…15%) и водород (до 7…9%), а также некоторое количество золы (твёрдых несгораемых соединений). Лаковые отложения могут быть классифицированы по степени их окисления, (т.е. по соотношению смол, асфальтенов, карбенов и карбоидов) на основании упомянутой ранее схемы окисления углеводородов. Как правило, изменение цвета лаковых отложений (в сторону увеличения баллов цветовой шкалы методик ПЗВ и 344-Т) характеризует увеличение степени окисления углеводородов в лаковом слое.

Лакообразование в двигателе зависит от сорта применяемого масла, от температуры поверхностей деталей, на которых откладывается лак, от времени работы двигателя, от толщины масляного слоя и т.п. Процессы лакообразования подчиняются следующим закономерностям:

а) скорость лакообразования увеличивается при повышении температуры, при уменьшении толщины масляного слоя, при ухудшении противоокислительных свойств масла;

б) увеличение продолжительности нагрева (т.е. продолжительности работы двигателя) при постоянной температуре (т.е. при постоянной средней температуре) увеличивает лакообразование;

в) на процесс лакообразования весьма существенное влияние оказывает каталитическое действие металлической поверхности, фракционный и химический состав масла и др.

Осадки (шлам) представляют смесь продуктов окисления углеводородов с продуктами загрязнения картерного масла эмульсиями и водой.

Основной причиной образования осадков является попадание воды в масло и загрязнение последнего различными примесями; это приводит к стабилизации эмульсий воды в масле.

Применение упомянутых ранее комплексных многофункциональных присадок замедляет образование эмульсий и дальнейшее развитие процессов окисления, связанных с формированием и распадом перекисей. При этом по мере наработки моторесурса количество присадок в масле постоянно уменьшается вследствие связывания продуктов старения масла и перевода их в мелкокоагулированное состояние. Удельный вес таких частиц, как правило, близок к удельному весу моторного масла, ввиду чего они находятся в смазке во взвешенном состоянии. Фильтры центробежной очистки, отделяющие примеси от масла по удельным весам компонентов, могут в этом случае оказаться малоэффективными. Фильтры грубой очистки с большими размерами пор также не задерживают полностью эти примеси.

Применение фильтров тонкой очистки не всегда обеспечивает достаточный срок их работы, так как мелкие поры быстро забиваются взвешенными в масле частицами.

Поэтому применение современных сортов моторных масел с комплексными многофункциональными присадками, как правило, требует перехода на конструкцию полнопоточной системы фильтрации масла, причём размер пор фильтрующих элементов должен быть увязан с размерами мелкокоагулированных частиц примесей, химически связанных и нейтрализованных компонентами присадок. Такое комбинированное химико-механическое воздействие на продукты окисления моторного масла в двигателе обеспечивает значительное увеличение пробега автомобильных двигателей до смены смазки при одновременном снижении износов их основных деталей.

При выборе масла для двигателя необходимо учитывать не только эксплуатационные свойства смазки, но и её стоимость, а также возможности снабжения (заправки автомобиля). Для оценки эксплуатационных свойств моторного масла должен быть обеспечен комплексный учёт экономичности его применения, включая его стоимость, моторесурс автомобиля и двигателя, стоимость заправки, ремонтных работ и обслуживания. Необходимо учитывать и некоторые другие требования, связанные со сроками смены масла в двигателе, например, для специальных машин и автомобилей (при тяжёлых дорожных условиях, а также для двигателей, работающих без ухода и обслуживания длительное время) [5, 6].

Решающее влияние на образование осадков оказывают следующие факторы:

а) температурный режим работы двигателя;

б) характеристики применённых топливо-смазочных материалов;

в) конструктивные особенности двигателей (тип, характер рабочего процесса, число и расположение цилиндров, конструкция системы смазки и системы охлаждения и т.п.);

г) условия эксплуатации двигателей (в том числе, дорожные и атмосферные), вид и характер нагружения двигателя и др.

Весьма существенное воздействие на процессы осадкообразования оказывает система вентиляции картерных газов, характер окисления топлива в камерах сгорания (влиявший на состав картерных газов) и другие обстоятельства. Величина компрессии двигателя и уплотняющее действие поршневых колец (как прямое, так и обратное – по насосным свойствам, вследствие чего масло попадает в камеры сгорания) также оказывают заметное влияние на скорость старения масла в двигателе.

Попадание в картерное масло несгораемого топлива из камер сгорания также способствует увеличению осадкообразования, ввиду его окисления и полимеризации в камерах сгорания и в цилиндрах ДВС, что приводит к образованию смол.

Введение в состав масла любых эмульгирующих продуктов без воздействия на эти продукты соответствующих составных частей комплексных присадок весьма значительно повышает склонность масел к образованию шлама. Наиболее эффективное эмульгирующее действие вызывают асфальтены, затем смолы и оксикислоты и, наконец, карбены и карбоиды [4, 5, 6].

При сгорании 1 кг топлива различного состава может образовываться значительное количество воды (приблизительно от 600 до 970 г). Часть этой воды, прорываясь вместе с газами в атмосферу картера, может конденсироваться на его внутренних стенках и впоследствии попадать в картерное масло. Так, например, при испытаниях нового обкатанного двигателя типа ГАЗ-52-04 в отстойнике, присоединенном к системе вентиляции картера, за один час работы скапливалось до 80…120 г воды при температуре масла в картере 70°С и до 25…35 г – при 100…150°С, вследствие затруднения процесса конденсации при повышении температуры внутренних стенок полости картера.

При этом уменьшалась возможность образования водомасляных эмульсий, являющихся первым этапом в цепи окислительных процессов при старении масла. Таким образом, приведённый пример еще раз указывает на то, что вследствие специфики процессов окисления масла в двигателе, в ряде случаев невозможно воспроизвести их вне работающего двигателя. Как следствие этого, появилось много различных методов моторных испытаний топлив и масел для определения их склонности к нагаро-, лако- и осадкообразованию, а также для оценки всего комплекса их моторных свойств. При этом испытания должны выполняться на установке, в качестве главной испытательной части которой применён реальный двигатель внутреннего сгорания нормального или уменьшенного литража.

Для оценки достоверности полученных результатов такие испытания должны быть дополнены проверкой на «развёрнутых» (многоцилиндровых) реальных двигателях при их работе на специальных испытательных стендах, а также при пробеговых испытаниях автомобилей. Несмотря на ряд отличий работы двигателей на стенде и на автомобиле в дорожных условиях, оба вида испытаний объединены общностью процессов, воздействию которых подвергается топливо и масло в двигателях. Всё это и предопределяет важность моторных и стендовых испытаний топлив и масел, так как роль испытательного прибора выполняет здесь реальный двигатель, оборудованный необходимым числом измерителей температуры и других теплотехнических величин. Такая установка (например, с двигателем ОЦУ-1 (НАМИ), УД-1 (МАДИ, НГТУ), типа Л-4 и др.) позволяет осуществлять испытания топлив и масел и процессов их старения при заранее заданных и постоянно контролируемых условиях.

Для исследования процессов нагаро-, лако- и осадкообразования можно применить различные методы количественной оценки осадков и отложений в двигателях (методика 344-Т, метод Л-4 и т.п.) [5, 6]. По методике 344-Т, которая является частью федерального (государственного) стандарта США, состояние чистого неизношенного двигателя оценивается в ноль баллов, предельное загрязнение и износ деталей двигателя – в 10 баллов.

Оценка отложений, износов и задиров на деталях производится для каждой поверхности отдельно и суммируется для всей детали. Суммарная оценка двигателя складывается из оценок всех деталей. По методике 344-Т оцениваются: пригорание поршневых колец и их защемление (залегание); износ колец (по потере веса и увеличению зазора в замке); отложения на гильзах цилиндров и на юбке поршня (в том числе, по цвету отложений на юбке поршня и по продуктам коррозии на ней); ограничение (забивание) отверстий для продувочного воздуха и выпускных отверстий; ограничение пазов, отверстий и канавок маслосъемных колец; отложения на поверхности поршня над верхним поршневым кольцом, в канавках компрессионных и маслосъемных колец, на головках цилиндров и днищах поршней, на клапанах и втулках клапанов (одновременно с износом фасок, стержней и втулок); отложения шлама в масляной системе; износы гильз цилиндров; оценка задиров на гильзах цилиндров и на головках поршней; оценка износов и состояния коленвала и его подшипников; оценка коррозии подшипников и др. При оценке характера отложения учитывается толщина отложения и его характер (цвет, твёрдость и т. п.).