Влияние температуры на отложения в двигателе.

Один из резервов, позволяющих повысить показатели надёжности эксплуатации двигателя внутреннего сгорания (ДВС) — это снижение нагарных, лаковых и осадочных отложений на поверхности его деталей, которая входит в прямой контакт с моторными маслами. Основой образования таких отложений является процесс окисления углеродов, которые содержатся в составе масляной основы (старение масла). Определяющим влиянием на окислительные процессы в машинных маслах, образование вышеуказанных отложений, а также непосредственно на эффективность работы двигателей внутреннего сгорания являются тепловые режимы деталей, подвергаемых тепловой нагрузке.

Все отложения, которые образовываются на поверхности деталей двигателей внутреннего сгорания можно разделить на 3 вида: нагарные, лаковые и осадочные (шламы).

Нагарные отложения являются твёрдыми углеродистыми веществами, откладывающимися в ходе эксплуатации двигателя на стенках камеры сгорания (КС). В основном образование отложений данного вида находится в зависимости от температурного условия, даже тогда, когда состав смеси и конструкция деталей двигателей идентичны. Нагарное отложение весьма существенно влияет на процесс, в ходе которого происходит сгорание топливовоздушной смеси в КС, а также на продолжительность полноценной и эффективной работы самого ДВС. Практически любые виды аномального сгорания, к каким относятся калильное воспламенение, детонационное сгорание и т. д., вызваны образованием нагарных отложений, образующихся на деталях, из которых состоит камера сгорания.

Лаковые отложения являются продуктом окисления и последующего видоизменения тончайших масляных плёнок, которые, растекаясь по деталям цилиндропоршневой группы (ЦПГ), под воздействием высоких температур покрывают их. Наибольшему вреду от лакообразования подвергается зона поршневых колец ДВС. Происходит их закоксовывание (кольца залегают и теряют подвижность). Отлаживаясь на поверхности поршней, лаки, которые контактируют с маслом, вызывают нарушение должной теплопередачи через поршень, значительно ухудшая отвод лишнего тепла от него.

Осадочные отложения (шламы) образуются в ДВС под воздействием нескольких факторов. На количество шлама главным образом влияет качество непосредственно самого моторного масла, конструктивные особенности ДВС, температурные режимы деталей и условия эксплуатации двигателя. Наиболее характерны отложения данного типа для эксплуатации двигателя в зимний период. Интенсивность образования осадочных отложений возрастает также тогда, когда выполняются слишком частые пуски и остановки двигателя.

Определяющим влиянием на образование разнообразных видов отложений, характеристики прочности материалов деталей, выходные показатели эффективности двигателей и изнашиваемость поверхностей деталей является тепловое состояние двигателей внутреннего сгорания. В связи с этим необходимым является знание пороговых значений температур исключительно всех деталей цилиндропоршневой группы. По меньшей мере нужно знать характерные температурные точки, превышение которых становится причиной указанных выше негативных последствий.

Анализирование температурного состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания целесообразно выполнять, используя значения температуры непосредственно в самих характерных точках. Такие температурные значения должны браться в учёт, когда выполняется производство, испытание и доводка двигателей с оптимизацией конструкций деталей, а также тогда, когда выбираются моторные масла, сравниваются тепловые состояния различных двигателей либо решается целы ряд иных технических проблем при конструировании и эксплуатировании ДВС.

Данные значения обладают критическими уровнями:

1. Максимальный показатель температуры в точке 1 (дизельные двигатели — на кромке камеры сгорания; бензиновые — центр донышка поршня) не должен быть выше 350°С (кратковременно, 380°С) для всех алюминиевых сплавов, применяемых в серийном строении автомобильных двигателей. При превышении таких максимальных значений в дизелях оплавляются кромки камеры сгорания, в бензиновых двигателях — прогорают поршни. Кроме всего прочего под воздействием высоких температур поверхности поршневых днищ на этих поверхностях образуются нагары высокой твёрдости. Практика двигателестроения показывает, что такие критические значения возможно повысить добавлением к поршневому сплаву бериллия, кремния, титана, циркония и т. д.

   Чтобы не допустить превышение критических температурных значений в данной точке, наряду с объёмами деталей двигателей внутреннего сгорания, оптимизируются также их формы и организуется правильное охлаждение. Превышение допустимых температурных значений на деталях ЦПГ ДВС — это обычно основной сдерживающий фактор к форсированию мощности двигателей. Температурные уровни должны обладать определённым запасом, учитывающим возможные экстремальные условия эксплуатации.

2. Максимальный показатель температуры в точке 2, располагающейся поверх верхнего компрессионного кольца (ВКК) — 250-260°С (кратковременно, не выше 290°С). Превышение этих величин приводит к коксованию всех массовых моторных масел (интенсивно образуется лак), из-за чего «залегают» поршневые кольца, то есть теряется их подвижность. Результатами потери такой подвижности становится существенное уменьшение компрессии, увеличение расходов моторного масла и т. д.
3. Максимальный показатель температуры в точке 3, расположенной не внутренней стороне поршня симметрично сечения его головки, составляет 220°С. Если данный показатель превышается, внутренняя поверхность поршня интенсивно покрывается лаком. В свою очередь, лаковые отложения — это мощный тепловой барьер, препятствующий отведению тепла маслом. Это автоматически становится причиной повышения температуры по всему объёму поршня, что приводит к нагреву зеркала цилиндра.
4. Максимальный показатель температуры в точке 4, находящейся на цилиндре, напротив того места, где происходит остановка верхнего компрессионного кольца в ВМТ, составляет 200°С. Превышение данного показателя приводит к разжижению моторного масла. Это, в свою очередь, вызывает потерю стабильности формирования масляной плёнки на поверхности зеркала цилиндра, провоцируя «сухое» трение компрессионных колец по нему. Это приводит к интенсивному молекулярно-механическому изнашиванию деталей цилиндропоршневой группы. При пониженной же температуре (не превышает точку росы отработанных газов) стенок цилиндра ускоряется их коррозионно-механическое изнашивание. Также происходит ухудшение смесеобразования и уменьшение скорости сгорания топливовоздушных смесей, что провоцирует снижение эффективности и экономичности работы двигателя, в то же время, повышая токсичность отработанных газов. Также необходимо учитывать, что существенно заниженные температуры цилиндра и поршня, а также попадающий в картерное масло конденсат водяного пара, приводят к интенсивной коагуляции примесей и гидролизу присадок, что является причиной образования осадочных «шламов». Такого рода осадочные отложения загрязняют масляные фильтры и каналы, а также сетки маслоотстойников, нарушая нормальное функционирование смазочной системы.

На скорость образования лаковых, нагарных и осадочных отложений на поверхности деталей двигателей внутреннего сгорания существенное влияние оказывает устаревание моторного масла при их функционировании. Устаревание масла характеризуется накоплением в нём различного рода примесей (кроме всего прочего и воды), окислением углеводородов и трансформацией физико-химических свойств масла.

Трансформация фракционного состава чистых залитых масел в ходе функционирования двигателя происходит в основном из-за изменения состава их масляной основы и процентного соотношения присадок к отдельно взятым составляющим (ароматическим, нафтеновым, парафиновым).

К таковым относятся:

• термическое разложение масел в зоне перегрева (к примеру, клапанные втулки, зона ВКК, поверхности верхних поясов цилиндровых зеркал). В ходе протекания таких процессов окисляются либо даже частично выкипают наиболее лёгкие фракции масляной основы;
• попадание основ не испарившегося в начальных периодах пусков (либо в случаях резкого увеличения подачи горючего в цилиндры с целью существенного ускорения автомобиля) топлива к углеводородам через зону уплотнений поршней непосредственно в картерный маслосборник;
• попадание воды, образующейся в процессе сгорания горючего в камере сгорания цилиндров, в маслосборник двигателя либо в картерный поддон.

При достаточно эффективной работе системы вентиляции картера и температуре стенок картера не выше 90-95°С конденсирование воды не происходит, поскольку происходит её своевременное удаление в атмосферу посредством вентиляционной системы картера. При существенно пониженной температуре стенок картера вода, которая попала в масло, становится участником процессов его окисления. Объём воды, которая при этом конденсируется, может достигать весьма больших значений. Даже учитывая то, что всеми компрессионными кольцами будет пропускаться всего 2 процента газов, на каждую тысячу км пробега сквозь картер двигателя, рабочий объём которого 2-2,5 литра, будет происходить прокачка примерно 2-х килограммов воды. Предположим, что система вентиляции картера удаляет 95% воды. При подобном расчёте получается, что после 5000-километрового пробега на каждые 4 литра моторного масла будет выделяться 500 граммов воды. Преобразование этой воды в процессе работы двигателя выполняется антиокислительной присадкой, входящей в состав моторного масла, в примеси — золу и кокс.

Приведенные ранее причины указывают на необходимость поддерживания при функционировании двигателя температуры картерных стенок весьма высокой, а если это необходимо, применять систему смазки, включающую сухой картер и отдельный масляный бак.

Отметить также следует то, что мероприятия, которые замедляют процессы трансформации состава масляных основ, также оказывают эффект замедления образования лаковых, нагарных и осадочных отложений, что позволяет сделать изнашиваемость основных деталей двигателя автомобиля менее интенсивной.

Изменение фракционного и химического составов масла может происходить в достаточно широком диапазоне. На это влияют следующие факторы:

• характер сырья, зависящий от особенностей месторождения и свойств непосредственно самой нефтяной скважины;
• особенности технологий производства моторного масла;
• особенности транспортирования и продолжительность хранения масла.

Предварительная оценка свойств нефтяных продуктов производится с применением различных лабораторных методов: определяются кривая разгонки, температура вспышки, застывания и помутнения, оценивается окисляемость в среде, имеющей разную агрессивность и т. д.

Основой старения моторных масел являются окислительные, полимеризационные и разлагательные процессы углеродов, сопровождающиеся загрязнением масел разнообразными примесями (вода, металлические частицы, нагар, пыль, топливо и т. д.). Под влиянием процессов старения происходит существенное изменение физико-химических свойств масел, что становится причиной появления в них различных продуктов износа и окисления, а также ухудшаются его эксплуатационные качества. Окисление моторных масел различается на следующие виды: толстый слой — в картерном поддоне или в баке с маслом; тонкий слой — на поверхности разогретых металлических деталей; туманообразное (капельное) состояние — в коробке клапанов и картере и т. д. При окислении масла в толстых слоях образуются осадки в в виде шламов, а в тонких — лака.

Теория перекисей К.О. Энглера и А.Н. Баха, дополненная С.Э Крейном и П.Н. Черножуковым, полностью описывает окисление углеродов. В частности, окислительный процесс в моторном масле двигателей внутреннего сгорания способен протекать в двух направлениях. Результаты окисления по каждому из данных направлений различны. Первое направление окисления в результате даёт кислые продукты (асфальтовые кислоты, обычные кислоты, оксикислоты и эстолиды), которые образуют осадки при пониженной температуре; второе направление окисления даёт нейтральные продукты (асфальтены, карбоиды, карбены и смолы), образующие лаковые и нагарные отложения в разных пропорциях при повышенной температуре.

Роль воды, которая попадает в масла в результате конденсировании её паров из газов картера либо иными путями, в процессе старения масел достаточно значительна. Результатом такого попадания является образование эмульсий, в последствии усиливающих процесс окислительной полимеризации молекул масла. При взаимодействии оксикислот и прочих окислительных продуктов с водомасляной эмульсией происходит усиленное формирование осадка (шлама) непосредственно в самом двигателе.

В свою очередь, не нейтрализованные присадкой образовавшиеся шламовые частички выполняют роль центров катализации, ускоряя разложение ещё не окислившихся частей масла. При этом несвоевременная замена моторных масел окислительные процессы будут протекать по принципу цепной реакции, постоянно ускоряясь и приводя к соответствующим последствиям.

Решающим фактором при образовании лаковых, нагарных и осадочных отложений на деталях ДВС, которые непосредственно контактируют с моторными маслами, является тепловое состояние этих самых деталей. Равным образом, режимы работы, условия эксплуатации двигателей, а также их конструкционные особенности и т. д. играют ключевую роль в определении теплового состояния двигателей и оказывают влияние на процессы, влияющие на формирование отложений.

Не менее важным влиянием на формирование разнообразных отложений являются характеристики применяемых моторных масел. Каждому конкретному двигателю должна соответствовать рекомендованная заводом-изготовителем масел температура поверхности деталей, которая входит в прямой контакт с маслами.

Работа автомобильных двигателей осуществляется наиболее эффективно только тогда, когда соблюдены определённые условия. Одним из подобных условий является соблюдение оптимального температурного режима теплонагруженных деталей. Соблюдением данного температурного режима возможно добиться высоких технических характеристик двигателя и одновременно снижения отложений, износов и, в свою очередь, повышения его надёжности.

Признаком оптимального теплового состояния двигателей внутреннего сгорания являются оптимальные температуры поверхности теплонагруженных деталей. Производя анализирование проведённых исследований процессов формирования разнообразных отложений на деталях подвергаемых исследованиям карбюраторных двигателей серии 3М3, также аналогичных исследований бензиновых двигателей, становится возможным достаточно точное определение интервалов оптимальной и опасной температур на поверхностях деталей двигателей этого класса. Полученные данные представлены таблицей 2.

Когда температуры деталей ДВС достигают опасных высокотемпературных зон, твёрдость нагарных отложений на поверхности деталей камеры сгорания цилиндра существенно возрастает. Это, в свою очередь, провоцирует калильное зажигание тепловоздушных смесей. Возрастает также объём лакового отложения на поверхности поршня и цилиндра, а значит происходит нарушение нормального теплового баланса.

Когда температуры деталей ДВС достигают опасных низкотемпературных зон, толщина нагарных отложений на этих деталях, которые образуют камеру сгорания, существенно возрастает. Это, в свою очередь, провоцирует детонационное сгорание тепловоздушных смесей. Также в низкотемпературных зонах возрастает количество осадочных отложений из моторного масла. Всё это является причиной нарушения нормальной работы двигателя. Помимо этого, накопление отложений провоцирует перераспределение тепловых потоков, которые проходят через поршень, а также повышение температуры поршня в критических точках: центр огневой поверхности поршневого днища и канавка верхнего компрессионного кольца. Поле температур поршней двигателей 3М2-5234.10, включая учёт лаковых и нагарных отложений на их поверхности, проиллюстрировано рисунком 7.

Решение задачи теплопроводности методами конечных элементов производилось с ГУ 1-рода, которые были получены в ходе термометрирования поршней на режимах номинальных мощностей в ходе проведения стендовых испытаний двигателя. Проведение термоэлектрических экспериментов выполнялось с теми же поршнями, для которых заблаговременно выполнялось исследование температурных состояний, не учитывая отложения. Оба эксперимента проводились в аналогичных условиях. Предварительно двигатель подвергся 80-часовой эксплуатации на стенде, после чего наступила стабилизация лаков и нагаров. Результатом стало повышение температуры центра поршневого днища на 24°С, а зоны канавки ВКК — на 26°С сравнимо с той моделью поршня, на которой отложения не учитывались. Температура поршневой поверхности над верхним компрессионным кольцом — 238°С включена в опасные температурные зоны. Температура центра поршневого днища также приближена к опасным высокотемпературным зонам.

Учёт влияния нагарных отложений на тепловоспринимающей поверхности поршня и лаковых отложений на его поверхности, которые напрямую контактируют с маслами, на этапах проектирования и доводок выполняется крайне редко. В совокупности с эксплуатированием двигателей, включённых в составы АТС, что обуславливает повышенные тепловые нагрузки, такой редкий учёт является основной причиной увеличения вероятности отказов — закоксовываются поршневые кольца, прогорают поршни и т. д.