Główne zmiany właściwości w pracującym silniku zachodzą z następujących powodów:
wysoka temperatura i działanie utleniające;
przemiany mechanochemiczne składników olejów;
stała akumulacja:
produkty konwersji oleju i jego składników;
produkty spalania paliw;
woda;
nosić produkty
zanieczyszczenia w postaci kurzu, piasku i brudu.
Utlenianie.
W pracującym silniku gorący olej stale krąży i wchodzi w kontakt z powietrzem, produktami całkowitego i niecałkowitego spalania paliwa. Tlen zawarty w powietrzu przyspiesza utlenianie oleju. Proces ten przebiega szybciej w olejach podatnych na pienienie. Metalowe powierzchnie części działają jak katalizatory procesu utleniania oleju. Olej nagrzewa się w kontakcie z nagrzanymi częściami (przede wszystkim cylindrami, tłokami i zaworami), co znacznie przyspiesza proces utleniania oleju. Rezultatem mogą być stałe produkty utleniania (osady).
Na charakter wymiany oleju w pracującym silniku mają wpływ nie tylko przemiany chemiczne cząsteczek oleju, ale także produkty całkowitego i niecałkowitego spalania paliwa, zarówno w samym cylindrze, jak i przedostawaniu się do skrzyni korbowej.
Wpływ temperatury na utlenianie oleju silnikowego.
Istnieją dwa rodzaje warunków temperaturowych silnika:
praca w pełni rozgrzanego silnika (tryb główny).
praca nieogrzewanego silnika (częste postoje samochodu).
W pierwszym przypadku jest wysoka temperatura tryb zmiany właściwości oleju w silniku, w drugim - niska temperatura. Istnieje wiele pośrednich warunków pracy. Przy określaniu poziomu jakości oleju testy silnika przeprowadzane są zarówno w wysokich, jak i niskich temperaturach.
Produkty utleniania i zmiany właściwości oleju silnikowego.
kwasy (kwasy). Najważniejszymi produktami utleniania olejów są kwasy. Powodują korozję metali, a do zobojętnienia powstających kwasów zużywane są dodatki alkaliczne, w wyniku czego pogarszają się właściwości dyspergujące i detergencyjne oraz skraca się żywotność oleju. Wzrost całkowitej liczby kwasowej, TAN (całkowita liczba kwasów) jest głównym wskaźnikiem powstawania kwasów.
Osady węgla w silniku (złoża węgla). Na gorących powierzchniach części silnika tworzą się różnorodne osady węglowe, których skład i struktura zależy od temperatury powierzchni metalowych i olejowych. Istnieją trzy rodzaje depozytów:
sadza,
lakier,
osad.
Należy podkreślić, że powstawanie i gromadzenie się osadów na powierzchni elementów silnika jest skutkiem nie tylko niewystarczającej stabilności oksydacyjnej i termicznej oleju, ale również jego niewystarczającej detergencyjności. Dlatego zużycie silnika i skrócona żywotność oleju są złożonym wskaźnikiem jakości oleju.
Nagar (lakiery, osady węglowe) są produktami termicznej degradacji i polimeryzacji (krakingu i polimeryzacji) pozostałości olejów i paliw. Tworzy się na bardzo gorących powierzchniach (450° - 950°C). Nagar ma charakterystyczny czarny kolor, chociaż czasami może być biały, brązowy lub w innych kolorach. Grubość warstwy osadu zmienia się okresowo - gdy osadów jest dużo, pogarsza się odprowadzanie ciepła, temperatura górnej warstwy osadów wzrasta i ulegają one wypaleniu. Mniej osadów tworzy się w ciepłym silniku pracującym pod obciążeniem. W zależności od budowy złoża są monolityczne, gęste lub luźne.
Nagar ma negatywny wpływ na pracę i stan silnika. Osady w rowkach tłoków, wokół pierścieni, uniemożliwiają ich ruch i dociskanie do ścianek cylindra (zakleszczanie, sklejanie, sklejanie pierścieni). W wyniku zakleszczenia i trudności w ruchu pierścieni nie dociskają one ścianek i nie zapewniają sprężania w cylindrach, spada moc silnika, przedostaje się gaz do skrzyni korbowej i wzrasta zużycie oleju. Dociskanie pierścieni z osadami do ścianek cylindra prowadzi do nadmiernego zużycia cylindra (nadmiernego zużycia).
Polerowanie ścianek cylindra (borepolishing) - osady na wierzchu tłoków (pistontopland) polerują wewnętrzne ścianki cylindrów. Polerowanie zapobiega zatrzymywaniu się i utrzymywaniu filmu olejowego na ścianach oraz znacznie przyspiesza tempo zużycia.
lakier (lakier). Cienka warstwa brązowej do czarnej, twardej lub lepkiej substancji zawierającej węgiel, która tworzy się na umiarkowanie nagrzanych powierzchniach w wyniku polimeryzacji cienkiej warstwy oleju w obecności tlenu. Płaszcz i wewnętrzna powierzchnia tłoka, korbowody i sworznie tłokowe, trzonki zaworów oraz dolne części cylindrów są lakierowane. Lakier znacznie upośledza odprowadzanie ciepła (zwłaszcza tłoka), zmniejsza wytrzymałość i trwałość filmu olejowego na ściankach cylindra.
Osady w komorze spalania (osady komory spalania) powstają z cząstek węgla (koksu), w wyniku niecałkowitego spalania paliwa oraz soli metali wchodzących w skład dodatków w wyniku termicznego rozkładu resztek oleju dostających się do komory. Osady te nagrzewają się i powodują przedwczesny zapłon mieszanki roboczej (zanim pojawi się iskra). Ten rodzaj zapłonu nazywa się zapłonem wstępnym lub zapłonem wstępnym. Powoduje to dodatkowe naprężenia w silniku (detonacja), co prowadzi do przyspieszonego zużycia łożysk i wału korbowego. Ponadto poszczególne części silnika przegrzewają się, spada moc i wzrasta zużycie paliwa.
Zatkane świece zapłonowe (zanieczyszczenie świecy zapłonowej). Osady gromadzące się wokół elektrody świecy zapłonowej zamykają iskiernik, iskra staje się słaba, a zapłon staje się nieregularny. W rezultacie zmniejsza się moc silnika i zwiększa się zużycie paliwa.
Smoły, szlamy, osady żywiczne (szlam) (żywice, szlam, osady szlamu) w silniku szlam powstaje w wyniku:
utlenianie i inne przemiany oleju i jego składników;
nagromadzenie w oleju paliwa lub produktów rozkładu i niecałkowite spalanie;
woda.
Substancje żywiczne powstają w oleju w wyniku jego przemian oksydacyjnych (sieciowanie utlenionych cząsteczek) i polimeryzacji produktów utleniania oraz niecałkowitego spalania paliwa. Tworzenie się żywic nasila się, gdy silnik nie jest wystarczająco ciepły. Produkty niepełnego spalania paliwa przedostają się do skrzyni korbowej podczas długotrwałej pracy na biegu jałowym lub w trybie stop-start. Przy wysokich temperaturach i intensywnej pracy silnika paliwo spala się pełniej. Aby ograniczyć tworzenie się smoły i olejów silnikowych, wprowadza się dodatki dyspergujące, które zapobiegają koagulacji i wytrącaniu się żywic. Żywice, cząsteczki węgla, para wodna, ciężkie frakcje paliwowe, kwasy i inne związki skraplają się, koagulują w większe cząstki i tworzą w oleju szlam, tzw. czarny osad.
Osad (szlam) jest zawiesiną i emulsją w oleju nierozpuszczalnych ciał stałych i substancji żywicznych o barwie od brązowej do czarnej. Skład osadu ze skrzyni korbowej:
olej 50-70%
woda 5-15%
produkty utleniania oleju i niecałkowitego spalania paliwa, cząstki stałe - reszta.
W zależności od temperatury silnika i oleju procesy powstawania szlamu przebiegają nieco inaczej. Rozróżnij niską temperaturę i wysoką temperaturę
Szlam niskotemperaturowy (szlam niskotemperaturowy). Powstaje, gdy gazy przełomowe zawierające pozostałości paliwa i wody wchodzą w interakcję z olejem w skrzyni korbowej. W zimnym silniku woda i paliwo odparowują wolniej, co sprzyja tworzeniu się emulsji, która następnie zamienia się w szlam.Powstawanie szlamu w skrzyni korbowej (szlamu w misce olejowej) jest przyczyną:
wzrost lepkości (zagęszczenie) oleju (wzrost lepkości);
zatykanie kanałów układu smarowania (zatykanie olei);
naruszenie dostaw ropy (głód ropy).
Powstawanie osadów w skrzynce zaworowej jest przyczyną niedostatecznej wentylacji tej skrzyni (foulairventing). Powstały osad jest miękki, kruchy, ale po podgrzaniu (podczas długiej podróży) staje się twardy i kruchy.
osad o wysokiej temperaturze (szlam wysokotemperaturowy). Powstaje w wyniku połączenia utlenionych cząsteczek oleju pod wpływem wysokiej temperatury. Wzrost masy cząsteczkowej oleju prowadzi do wzrostu lepkości.
W silniku wysokoprężnym tworzenie się szlamu i wzrost lepkości oleju są spowodowane gromadzeniem się sadzy. Powstawaniu sadzy sprzyja przeciążenie silnika i wzrost zawartości tłuszczu w mieszance roboczej.
zużycie dodatków. Zużycie, działanie dodatków jest decydującym procesem zmniejszania zasobów ropy naftowej. Najważniejsze dodatki do olejów silnikowych - detergenty, dyspergatory i neutralizatory - służą do neutralizacji związków kwasowych, zatrzymywane są w filtrach (wraz z produktami utleniania) i rozkładają się w wysokich temperaturach. Zużycie dodatków można pośrednio ocenić na podstawie spadku całkowitej liczby zasadowej TBN. Kwasowość oleju wzrasta z powodu powstawania kwaśnych produktów utleniania samego oleju i zawierających siarkę produktów spalania paliwa. Reagują z dodatkami, zasadowość oleju stopniowo spada, co prowadzi do pogorszenia właściwości myjących i dyspergujących oleju.
Efekt zwiększenia mocy i dociążenia silnika. Właściwości przeciwutleniające i detergentowe oleju są szczególnie ważne przy doładowywaniu silników. Silniki benzynowe są doładowywane poprzez zwiększenie stopnia sprężania i prędkości wału korbowego, podczas gdy silniki wysokoprężne są doładowywane poprzez zwiększenie efektywnego ciśnienia (głównie przy turbodoładowaniu) i prędkości obrotowej wału korbowego. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wału korbowego o 100 obr/min lub wzrostem ciśnienia efektywnego o 0,03 MPa temperatura tłoka wzrasta o 3°C. Podczas wymuszania silników zwykle zmniejsza się ich masę, co prowadzi do wzrostu obciążeń mechanicznych i termicznych części.
PŁUKANIE SILNIKA.
Podczas eksploatacji samochodu, nawet przy stosowaniu wysokiej jakości olejów silnikowych, na wewnętrznych powierzchniach silnika i kanałach układu smarowania nieuchronnie tworzą się szkodliwe osady węgla. Podczas wymiany oleju część starego zużytego oleju silnikowego nieuchronnie pozostaje również w wewnętrznych komorach silnika. W związku z tym, jeśli świeży olej silnikowy zostanie wlany bezpośrednio po spuszczeniu używanego silnika bez uprzedniego płukania, dodatki detergentowe nowo wlanego oleju natychmiast zaczną aktywnie rozpuszczać wszystkie te osady i zanieczyszczenia pozostające w silniku, co z kolei może doprowadzić do wielu skrajnie negatywnych konsekwencji: w szczególności do częściowego zatkania filtra oleju i co za tym idzie do obniżenia sprawności jego pracy, a także do przedwczesnego zadziałania pakietu dodatków i utraty właściwości czyszczących świeżego oleju silnikowego. Wszystko to ma najbardziej szkodliwy wpływ na zasoby silnika i jego charakterystykę mocy. Dziś potrzeba przepłukania układu smarowania przy wymianie oleju silnikowego jest dość oczywista, nikt nie ma wątpliwości i nie potrzebuje dodatkowego uzasadnienia. W komorze spalania silnika benzynowego, do której dostaje się mieszanka paliwowo-powietrzna, ulega ona zapłonowi, całkowitemu lub częściowemu spaleniu, w wyniku czego powstają osady węglowe. Ponadto produkty niecałkowitego spalania paliwa są przyczyną powstawania osadów lakierniczych na wewnętrznych powierzchniach silnika. Ponadto większość produktów spalania opuszcza układ wydechowy, jednak niewielka część gazów przedostaje się do skrzyni korbowej i odpowiednio wchodzi w kontakt z olejem silnikowym. W tym przypadku olej jest utleniany i rozcieńczany, powstają trudno rozpuszczalne produkty utleniania, które z kolei dodatkowo przyczyniają się do powstawania szlamu i innych osadów. W silnikach Diesla dodatkowo wraz z paliwem dostaje się siarka do komory spalania. W wyniku utleniających reakcji siarki podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej powstają szkodliwe osady, które powodują korozję i zużycie silnika. Osady nagaru powstające na powierzchniach wewnętrznych, kanałach układu smarowania i częściach silnika prowadzą nie tylko do pogorszenia odprowadzania ciepła, ale także do zauważalnego zmniejszenia przyczepności oleju do powierzchni ciernych, co w konsekwencji pogarsza retencję oleju. film olejowy na częściach silnika w zespołach ciernych.
Przyczyny powstawania osadów i sadzy w silniku
Stosowanie olejów wysokiej jakości nie eliminuje problemu koksowania, ponieważ w silniku mogą tworzyć się osady i osady z przyczyn niezwiązanych z jakością paliw i smarów:
1. Przegrzanie silnika . W wyniku regularnego przegrzewania olej szybciej się starzeje, traci lepkość i tworzy polimerowe osady w rowkach pod pierścieniami tłokowymi, na ściankach komory spalania, układzie smarowania i innych częściach.
2. Praca w niskich temperaturach . Para wodna powstająca podczas spalania paliwa reaguje z zimnym olejem, co prowadzi do powstawania osadów w skrzyni korbowej.
3. Miejski tryb pracy . Krótkie trasy i korki. Przy takiej pracy silnik nie osiąga normalnej pracy, w wyniku czego rozpoczyna się karbonizacja grupy cylinder-tłok.
4. Nieterminowa wymiana oleju prowadzi do gwałtownego wzrostu osadów powstających w wyniku procesów jej starzenia.
5. Zużycie turbosprężarki , w wyniku czego do oleju zaczynają przedostawać się gorące spaliny i zmieniają się właściwości oleju.
6. Płyn niezamarzający dostaje się do skrzyni korbowej gdy układ chłodzenia zostaje rozhermetyzowany, co zmienia właściwości oleju i inicjuje procesy jego polimeryzacji.
7. Paliwo złej jakości . Przy niepełnym spalaniu paliwa jego część dostaje się do skrzyni korbowej przez pierścienie i przyspiesza proces starzenia się oleju.
8. Powstawanie nadmiaru sadzy z powodu słabej kompresji lub późnego wtrysku paliwa w silnikach Diesla.
Podczas destylacji oleju o niskiej zawartości związków siarki otrzymuje się oleje napędowe o wysokiej stabilności chemicznej. Takie paliwa zachowują swoje właściwości przez długi czas (ponad 5 lat przechowywania).
Po zastosowaniu takiego paliwa w silniku diesla pojawiają się osady węglowe i smołowe. Powodem tego jest niecałkowite odparowanie i słabe rozpylenie oleju napędowego wewnątrz cylindrów z powodu dużej lepkości paliwa o ciężkim składzie frakcyjnym. Ponadto obecność zanieczyszczeń mechanicznych w oleju napędowym jest przyczyną tworzenia się węgla.
W konsekwencji obecność w paliwie siarki, smoły właściwej, popiołu (zanieczyszczeń niepalnych) oraz skłonność tego paliwa do tworzenia się węgla determinuje dynamikę gromadzenia się osadów węglowych, które charakteryzują się liczbą koksową, tj. zdolność paliwa do tworzenia pozostałości węglowej podczas rozkładu paliwa w wysokiej temperaturze (powyżej 800 ... 900 ° C) bez dostępu powietrza.
Pozostałością węglową lub pozostałością mineralną jest popiół, tj. niepalne zanieczyszczenie, które zwiększa tworzenie się węgla. Ponadto popiół przedostający się do oleju silnikowego powoduje przyspieszone zużycie części silnika spalinowego. Dlatego ilość popiołu jest ograniczona do normy nie większej niż 0,01%. Zatem następujące czynniki są przyczyną powstawania pozostałości węglowych:
1) niedostateczna głębokość oczyszczania paliwa ze związków smołowych;
2) zwiększona lepkość oleju napędowego;
3) ciężki skład frakcyjny paliwa.
Również skłonność oleju napędowego do sadzy charakteryzuje się zawartością w nim rzeczywistych żywic, tj. zanieczyszczenia pozostałe po oczyszczeniu destylatorów podstawowych. Właściwe żywice powodują gumowanie paliwa, ze względu na obecność w paliwie węglowodorów nienasyconych, których ilość określa się liczbą jodową.
Liczba jodowa jest wskaźnikiem zawartości węglowodorów nienasyconych (olefin) w oleju napędowym, liczbowo równą ilości gramów jodu dodanych do węglowodorów nienasyconych zawartych w 100 g paliwa.
Zwykle nienasycone węglowodory (olefiny) reagują z jodem. Oznacza to, że im więcej nienasyconych węglowodorów w paliwie, tym więcej jodu reaguje. Normalna jest taka ilość węglowodorów nienasyconych, które reagują z jodem nie przekraczająca 6 g jodu na 100 g zimowego lub letniego oleju napędowego.
Im więcej rzeczywistych żywic w oleju napędowym, tym większa jest jego skłonność do tworzenia się węgla. W związku z tym zawartość rzeczywistych żywic nie powinna przekraczać:
na zimowy olej napędowy - 30 mg na 100 ml;
Na lato DT - 60 mg na 100 ml.
Skłonność oleju napędowego do powstawania pokostów ocenia się na podstawie zawartości pokostu w mg na 100 ml paliwa. W tym celu paliwo odparowuje się w specjalnym lakierze w temperaturze 250?
Wnioski:
1) Gdy silnik wysokoprężny pracuje na kwaśnym paliwie, tworzą się trudne do usunięcia twarde osady i naloty, które powodują zużywanie się części silnika, gdy pracuje on w niskich temperaturach.
2) Karbonizacja paliwa prowadzi również do powstawania osadów węglowych i tworzenia się laków, w wyniku czego może dojść do zakleszczenia pierścieni tłokowych.
3) Ze względu na obecność cząstek siarki merkaptowej w paliwie podczas utleniania paliwa powstają żywice, które w połączeniu z żywicami powstałymi z olefin, a nawet z żywicami właściwymi zawartymi w oleju napędowym, osadzają się na igły dyszy, co ostatecznie powoduje zamarznięcie igieł wewnątrz dysz.
4) Dodatki wielofunkcyjne i ich wpływ na właściwości olejów napędowych.
Poprawę właściwości olejów napędowych uzyskuje się poprzez wprowadzenie do ich składu wielofunkcyjnych dodatków, takich jak:
depresor;
· Zwiększenie liczby cetanowej;
· Przeciwutleniacz;
· Dyspergujące detergenty;
Zmniejszenie zadymienia spalin itp.
Dodatki przeciwdymne klasy MST-15, ADP-2056, EFAP-6 w stężeniu 0,2…0,3 pozwalają na redukcję zadymienia spalin o 40…50% oraz redukcję sadzy.
Dodatek antykorozyjny gatunku naftenian cynku w stężeniu 0,25...0,3%, dodany do oleju silnikowego, skutecznie neutralizuje destrukcyjne działanie kwasów.
Aby zwiększyć liczbę cetanową oleju napędowego, poprawić jego właściwości wyjściowe, stosuje się dodatki: tionitraty RNSO; azotany izopropylu; nadtlenek RCH 2 ONO w stężeniu 0,2 ... 0,25%.
Dodatki depresyjne - kopolimery etylenu i octanu winylu o stężeniu 0,001...2,0% stosuje się w celu obniżenia temperatury płynięcia. Pokrywają monomolekularną warstwą mikrokryształów twardniejących parafin, zapobiegają ich powiększaniu i wytrącaniu.
Dodatki przeciwutleniające w stężeniu 0,001...0,1% podwyższają odporność termiczno-oksydacyjną paliw.
Dodatki antykorozyjne w stężeniu 0,0008 ... 0,005% zmniejszają agresywność korozyjną olejów napędowych.
Dodatki biobójcze w stężeniu 0,005...0,5%, które hamują rozmnażanie mikroorganizmów w paliwie.
Wielofunkcyjne dodatki, składające się z komponentów depresyjnych, detergentowych i przeciwdymnych, które nie tylko rozszerzają niskotemperaturowe właściwości paliw, ale także zmniejszają toksyczność spalin. Np. wprowadzenie dodatku ADDP do oleju napędowego w ilości 0,05...0,3% obniża temperaturę krzepnięcia paliwa o 20...25%, natomiast temperaturę filtrowalności obniża się o 10...12°C, dymu - o 20...55°C, a tworzenia się węgla - o 50...60%.
Zatem wprowadzenie różnych dodatków i dodatków do oleju napędowego znacznie poprawia jego właściwości użytkowe.
WPŁYW TEMPERATURY NA OSAD W SILNIKU
Badanie osadów w silnikach samochodowych.
Jedną z rezerw na zwiększenie niezawodności eksploatacyjnej silników spalinowych jest redukcja osadów, nalotów i osadów na powierzchniach ich części mających kontakt z olejem silnikowym. Ich powstawanie opiera się na procesach starzenia olejów (utlenianie węglowodorów tworzących bazę olejową). Decydujący wpływ na procesy utleniania oleju w silnikach, powstawanie osadów oraz sprawność całego silnika spalinowego ma reżim termiczny części narażonych na ciepło.
Słowa kluczowe: temperatura, tłok, cylinder, olej silnikowy, osady, sadza, lakier, wydajność, niezawodność.
Osady na powierzchniach części silników spalinowych dzielą się na trzy główne typy - osady, lakiery i osady (szlam).
Nagar - stałe substancje węglowe osadzające się podczas pracy silnika na powierzchniach komory spalania (CC). Jednocześnie osady węglowe zależą głównie od warunków temperaturowych, nawet przy takim samym składzie mieszanki i tej samej konstrukcji części silnika. Nagar ma bardzo istotny wpływ na proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku oraz na trwałość jego eksploatacji. Niemal wszystkim rodzajom nieprawidłowego spalania (spalanie stukowe, zapłon jarzeniowy i inne) towarzyszy taki lub inny efekt sadzy na powierzchniach części tworzących komorę spalania.
Lakier jest produktem przemiany (utleniania) cienkich filmów olejowych, które pod wpływem wysokich temperatur rozprzestrzeniają się i pokrywają części zespołu cylinder-tłok (CPG) silnika. Największą szkodę silnikom spalinowym powoduje tworzenie się laków w okolicy pierścieni tłokowych, powodując procesy ich koksowania (pojawiające się z utratą ruchliwości). Lakiery osadzające się na powierzchniach tłoka stykających się z olejem zaburzają prawidłowy przepływ ciepła przez tłok, utrudniają odprowadzanie ciepła z niego.
Na ilość opadów (szlamu) powstających w silniku spalinowym decydujący wpływ ma jakość oleju silnikowego, reżim temperaturowy części, cechy konstrukcyjne silnika i warunki pracy. Osady tego typu są najbardziej typowe dla zimowych warunków eksploatacji, nasilają się przy częstych rozruchach i postojach silnika.
Stan cieplny silnika spalinowego ma decydujący wpływ na procesy powstawania różnego rodzaju osadów, właściwości wytrzymałościowe materiałów części, wskaźniki mocy wyjściowej silników oraz procesy zużycia powierzchni Części. W tym zakresie konieczna jest znajomość progowych temperatur części CPG, przynajmniej w charakterystycznych punktach, których przekroczenie prowadzi do wskazanych wcześniej negatywnych konsekwencji.
Wskazane jest przeanalizowanie stanu temperaturowego części ICE CPG zgodnie z wartościami temperatury w charakterystycznych punktach, których położenie pokazano na ryc. 1. Temperatury w tych punktach powinny być brane pod uwagę przy produkcji, testowaniu i opracowywaniu silników w celu optymalizacji konstrukcji części, przy wyborze olejów silnikowych, przy porównywaniu stanów termicznych różnych silników oraz przy rozwiązywaniu wielu innych problemów technicznych projektowaniem i eksploatacją silników spalinowych.
Ryż. Rys. 1. Punkty charakterystyczne cylindra i tłoka silnika spalinowego podczas analizy ich stanu temperaturowego dla silników ZS (a) i benzynowych (b)
Te wartości mają poziomy krytyczne:
1. Maksymalna wartość temperatury w punkcie 1 (w silnikach Diesla - na krawędzi CS, w silnikach benzynowych - w środku dna tłoka) nie powinna przekraczać 350C (krótkotrwale 380C) dla wszystkich stopów aluminium dostępnych w handlu stosowane w budowie silników samochodowych, inaczej krawędzie CS w silnikach Diesla i często wypalanie tłoków w silnikach benzynowych. Ponadto wysokie temperatury powierzchni wypalania dna tłoka powodują powstawanie na tej powierzchni osadów o dużej twardości. W praktyce budowy silników tę krytyczną wartość temperatury można zwiększyć, dodając do stopu tłoka krzem, beryl, cyrkon, tytan i inne pierwiastki.
Zapobieganie przekroczeniu temperatur krytycznych w tym miejscu, a także w objętościach części silnika spalinowego, zapewnia również optymalizacja ich kształtów i odpowiednia organizacja chłodzenia. Przekroczenie dopuszczalnych temperatur części silnika CPG jest zwykle głównym czynnikiem ograniczającym wymuszanie ich mocy. Dla poziomów temperatur należy zachować pewien margines, biorąc pod uwagę możliwe ekstremalne warunki pracy.
2. Krytyczna wartość temperatury w punkcie 2 tłoka - powyżej górnego pierścienia uszczelniającego (VKK) - 250 ... 260 ° C (krótkotrwale, do 290 ° C). Po przekroczeniu tej wartości wszystkie oleje silnikowe masowo koksują (następuje intensywne tworzenie się lakieru), co prowadzi do „zatykania się” pierścieni tłokowych, czyli utraty ich ruchomości, a w efekcie do znacznego spadku kompresji, wzrost zużycia oleju silnikowego itp.
3. Maksymalna temperatura graniczna w punkcie 3 tłoka (punkt ten znajduje się symetrycznie na przekroju głowicy tłoka po jego wewnętrznej stronie) wynosi 220C. W wyższych temperaturach na wewnętrznej powierzchni tłoka dochodzi do intensywnego tworzenia się lakieru. Z kolei osady lakieru stanowią silną barierę termiczną, która uniemożliwia odprowadzanie ciepła przez olej. To automatycznie prowadzi do wzrostu temperatury w całej objętości tłoka, a więc na powierzchni zwierciadła cylindra.
4. Maksymalna dopuszczalna wartość temperatury w punkcie 4 (znajdującym się na powierzchni cylindra, naprzeciw punktu zatrzymania VCC w TDC) wynosi 200C. Po jego przekroczeniu olej silnikowy ulega upłynnieniu, co prowadzi do utraty stabilności w tworzeniu się filmu olejowego na lusterku cylindra i „suchego” tarcia pierścieni o lusterko. Powoduje to intensyfikację molekularnego zużycia mechanicznego części CPG. Z drugiej strony wiadomo, że obniżona temperatura ścianek cylindrów (poniżej punktu rosy spalin) przyczynia się do przyspieszenia ich zużycia korozyjno-mechanicznego. Pogarsza się również skład mieszanki i zmniejsza się szybkość spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, co obniża sprawność i ekonomiczność silnika, powodując wzrost toksyczności spalin. Należy również zauważyć, że przy znacznie niższych temperaturach tłoka i cylindra, skroplona para wodna wnikająca do oleju skrzyni korbowej powoduje intensywną koagulację zanieczyszczeń i hydrolizę dodatków z powstawaniem osadu – „szlamu”. Osady te, zanieczyszczając kanały olejowe, miski olejowe, filtry oleju, znacznie zakłócają normalną pracę układu smarowania.
Na intensywność procesów powstawania nagarów, nalotów i osadów na powierzchniach części silników spalinowych istotny wpływ ma starzenie się olejów silnikowych w trakcie ich eksploatacji. Starzenie się olejów polega na gromadzeniu się zanieczyszczeń (w tym wody), zmianie ich właściwości fizycznych i chemicznych oraz utlenianiu węglowodorów.
Zmiana składu frakcyjnego czystego oleju w trakcie pracy silnika spowodowana jest głównie przyczynami zmieniającymi skład jego bazy olejowej oraz procentową zawartością dodatków poszczególnych składników (parafinowych, aromatycznych, naftenowych).
Obejmują one:
procesy rozkładu termicznego oleju w obszarach przegrzania (np. w tulejach zaworów, obszarach górnych pierścieni tłokowych, na powierzchniach górnych cięciw zwierciadła cylindra). Takie procesy prowadzą do utlenienia najlżejszych frakcji bazy olejowej lub nawet ich częściowego wygotowania;
dodanie do węglowodorów bazy nieodparowanego paliwa, które dostaje się do miski olejowej skrzyni korbowej przez strefę uszczelnienia tłoka w początkowych okresach rozruchów (lub przy gwałtownym wzroście dopływu paliwa do cylindrów w celu przyspieszenia pojazdu);
woda przedostająca się do miski olejowej lub miski olejowej silnika, która powstaje podczas spalania paliwa w COP cylindrów.
Jeśli układ wentylacji skrzyni korbowej działa wystarczająco sprawnie, a ściany skrzyni korbowej są nagrzane do temperatury 90-95°C, woda nie skrapla się na nich i jest usuwana do atmosfery przez układ wentylacji skrzyni korbowej. Jeśli temperatura ścian skrzyni korbowej zostanie znacznie obniżona, woda, która dostała się do oleju, weźmie udział w jego procesach utleniania. Ilość skroplonej wody w tym przypadku może być dość znaczna. Nawet jeśli założymy, że tylko 2% gazów może przebić się przez wszystkie pierścienie uszczelniające cylindra, to 2 kg wody zostanie przepompowane przez skrzynię korbową silnika o pojemności roboczej 2-2,5 litra na każde 1000 km biegu . Załóżmy, że 95% wody jest usuwane przez system wentylacji skrzyni korbowej, to po przejechaniu 5000 km na 4,0 litry oleju silnikowego spadnie około 0,5 litra H2O. Woda ta podczas pracy silnika jest przekształcana przez dodatek przeciwutleniający zawarty w oleju silnikowym w zanieczyszczenia – koks i popiół.
Z wyżej wymienionych powodów konieczne jest utrzymywanie dostatecznie wysokiej temperatury ścianek skrzyni korbowej podczas pracy silnika, aw razie potrzeby stosowanie układów smarowania z suchą miską olejową z oddzielnym zbiornikiem oleju.
Należy zauważyć, że środki spowalniające procesy zmiany składu bazy olejowej znacznie spowalniają tworzenie się osadów węglowych, lakierów i osadów, a także zmniejszają intensywność zużycia głównych części silników samochodowych.
Skład frakcyjny i chemiczny olejów może zmieniać się w dość szerokim zakresie.
limity pod wpływem różnych czynników:
charakter surowca, w zależności od pola, właściwości szybu naftowego;
cechy technologii produkcji olejów silnikowych;
cechy transportu i czas przechowywania olejów.
Do wstępnej oceny właściwości produktów naftowych stosuje się różne metody laboratoryjne: wyznaczanie krzywej destylacji, temperatur zapłonu, zmętnienia i krzepnięcia, ocena utlenialności w mediach o różnej agresywności itp.
Starzenie samochodowego oleju silnikowego opiera się na procesach utleniania, rozkładu i polimeryzacji węglowodorów, którym towarzyszą procesy zanieczyszczenia oleju różnymi zanieczyszczeniami (sadzami, pyłami, cząstkami metali, wodą, paliwem itp.). Procesy starzenia znacząco zmieniają właściwości fizyczne i chemiczne oleju, prowadzą do pojawiania się w nim różnych produktów utleniania i zużycia oraz pogarszają jego działanie. W silnikach występują następujące rodzaje utleniania oleju: w grubej warstwie - w misce olejowej lub w zbiorniku oleju; cienką warstwą - na powierzchniach gorących części metalowych; w stanie zamglonym (kroplowym) - w skrzyni korbowej, skrzynce zaworowej itp. W tym przypadku utlenianie oleju w grubej warstwie daje osad w postaci szlamu, aw cienkiej warstwie - w postaci lakieru.
Utlenianie węglowodorów podlega teorii nadtlenków A.N. Bacha i K.O. Engler, uzupełniony przez P.N. Czernożukow i S.E. Dźwig. Utlenianie węglowodorów, w szczególności w olejach silnikowych ICE, może przebiegać w dwóch głównych kierunkach, co pokazano na rys. 2, wyniki utleniania, dla których są różne. W tym przypadku wynikiem utleniania w pierwszym kierunku są produkty kwaśne (kwasy, hydroksykwasy, estolidy i kwasy asfaltogenne), które w niskich temperaturach tworzą wytrącanie; skutkiem utleniania w drugim kierunku są produkty obojętne (karbeny, karboidy, asfalteny i żywice), z których w podwyższonej temperaturze tworzą się albo lakiery, albo osady w różnych proporcjach.
Ryż. 2. Drogi utleniania węglowodorów w produktach ropopochodnych (np. w oleju silnikowym do silników spalinowych)
W procesach starzenia się oleju bardzo istotna jest rola wody, która dostaje się do oleju podczas skraplania jego oparów z gazów ze skrzyni korbowej lub w inny sposób. W rezultacie powstają emulsje, które następnie wzmagają utleniającą polimeryzację cząsteczek oleju. Oddziaływanie hydroksykwasów i innych produktów utleniania oleju z emulsjami typu olej w wodzie powoduje zwiększone tworzenie się osadów (szlamów) w silniku.
Z kolei powstałe cząstki szlamu, jeśli nie zostaną zneutralizowane przez dodatek, służą jako centra katalityczne i przyspieszają rozkład oleju, który nie został jeszcze utleniony. Jeśli jednocześnie olej silnikowy nie zostanie wymieniony na czas, proces utleniania będzie przebiegał jako reakcja łańcuchowa z rosnącą prędkością, ze wszystkimi wynikającymi z tego konsekwencjami.
Decydujący wpływ na powstawanie osadów, lakierów i osadów na powierzchniach części silnika spalinowego mających kontakt z olejem silnikowym ma ich stan termiczny. Z kolei cechy konstrukcyjne silników, ich warunki pracy, tryby pracy itp. determinują stan cieplny silników, a tym samym wpływają na tworzenie się osadów.
Nie mniej istotny wpływ na powstawanie osadów w silniku spalinowym mają właściwości zastosowanego oleju silnikowego. Dla każdego konkretnego silnika ważne jest, aby olej zalecany przez producenta odpowiadał temperaturze powierzchni stykających się z nim części.
W pracy przeanalizowano zależność temperatur powierzchni tłoków silników ZMZ-402.10 i ZMZ-5234.10 od procesów powstawania na nich nagarów i lakierów oraz oceniono sedymentację na powierzchniach skrzyni korbowej i pokrywy zaworów silników przy stosowaniu oleju silnikowego M 63/12G1 zalecanego przez producenta.
Aby zbadać zależność właściwości ilościowych osadów w silnikach od ich stanu cieplnego i warunków pracy, można zastosować różne metody, na przykład L-4 (Anglia), 344-T (USA), PZV (ZSRR) itp. . W szczególności, zgodnie z metodą 344-T, która jest amerykańskim dokumentem regulacyjnym, stan „czystego” niezużytego silnika ocenia się na 0 punktów; stan skrajnie zużytego i zanieczyszczonego silnika - 10 pkt. Podobną metodą oceny tworzenia się lakieru na powierzchniach tłoków jest krajowa metoda ELV (autorzy - K.K. Papok, A.P. Zarubin, A.V. Vipper), której skala barw ma punkty od 0 (brak osadów lakierniczych) do 6 (maksymalne osady lakiernicze). Aby przeliczyć punkty skali ELV na punkty metody 344-T, należy zwiększyć odczyty pierwszego z nich o półtora raza. Podana metoda jest podobna do krajowej metody negatywnej oceny złóż Ogólnorosyjskiego Instytutu Badawczego Ropy i Gazu (skala 10-punktowa).
Do badań eksperymentalnych wykorzystano 10 silników ZMZ-402.10 i ZMZ-5234.10. Eksperymenty badające procesy powstawania osadów prowadzono wspólnie z laboratoriami badań samochodów osobowych i ciężarowych UKER GAZ na stanowiskach silnikowych. Podczas testów monitorowano między innymi natężenia przepływu powietrza i paliwa, ciśnienie i temperaturę spalin, temperaturę oleju i płynu chłodzącego. Jednocześnie na stanowiskach utrzymywano tryby: prędkość obrotowa wału korbowego odpowiadająca mocy maksymalnej (100% obciążenia) oraz naprzemiennie przez 3,5 godziny - 70% obciążenia, 50% obciążenia, 40% obciążenia, 25% obciążenia i bez obciążenia (przy zamkniętych przepustnicach), tj. przeprowadzono eksperymenty na charakterystykach obciążenia silników. Jednocześnie utrzymywana była temperatura płynu chłodzącego w zakresie 90...92C, temperatura oleju w głównym przewodzie olejowym 90...95C. Następnie rozebrano silniki i wykonano niezbędne pomiary.
Przeprowadzono wstępne badania zmiany parametrów fizykochemicznych olejów silnikowych podczas badań silników ZMZ-402.10 wchodzących w skład pojazdów GAZ-3110 na poligonie UKER GAZ. Jednocześnie spełnione są następujące warunki: średnia prędkość techniczna 30 ... 32 km / h, temperatura otoczenia 18 ... 26 ° C, przebieg do 5000 km. W wyniku przeprowadzonych badań uzyskano, że wraz ze wzrostem przebiegu pojazdu (czasu pracy silnika) zwiększała się ilość zanieczyszczeń mechanicznych i wody w olejach silnikowych, liczba jego koksu i zawartość popiołu oraz zachodziły inne zmiany, co przedstawiono w tabeli. 1
Tworzenie się nagaru na powierzchniach den tłoków silników ZMZ-5234.10 scharakteryzowano danymi przedstawionymi na rys. 3 (dla silników ZMZ-402.10 wyniki są podobne). Z analizy rysunku wynika, że wraz ze wzrostem temperatury dna tłoka ze 100 do 300С grubość (strefa istnienia) osadów węgla zmniejszyła się z 0,45 ... 0,50 do 0,10 ... silniki. Twardość sadzy wzrosła z 0,5 do 4,0...4,5 punktu w wyniku spiekania sadzy w wysokich temperaturach.
Ryż. 3. Zależności tworzenia się nagarów na powierzchniach den tłoków silników ZMZ-5234.10 od ich temperatur:
a - grubość sadzy; b - twardość sadzy;
symbole przedstawiają uśrednione wartości doświadczalne
Ocenę osadów lakierniczych na powierzchniach bocznych tłoków oraz ich powierzchniach wewnętrznych (nieroboczych) przeprowadzono również w skali dziesięciostopniowej, według metody 344-T stosowanej we wszystkich wiodących ośrodkach badawczych w kraju.
Dane dotyczące tworzenia się lakieru na powierzchniach tłoków silnika przedstawiono na rys. 4 (wyniki dla badanych marek silników są takie same). Tryby testowe są wskazane wcześniej i odpowiadają trybom w badaniach tworzenia się węgla na częściach.
Z analizy rysunku wynika, że tworzenie się lakieru na powierzchniach tłoków silnika jednoznacznie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury ich powierzchni. Na intensywność powstawania lakieru ma wpływ nie tylko wzrost temperatury powierzchni części, ale także czas jego działania, tj. czas trwania silników. W tym przypadku jednak procesy powstawania lakieru na powierzchniach roboczych (trących) tłoków ulegają znacznemu spowolnieniu w porównaniu z powierzchniami wewnętrznymi (nieroboczymi), ze względu na zacieranie się warstwy lakieru w wyniku tarcia.
Ryż. 4. Zależności osadów lakierniczych na powierzchniach tłoków silników ZMZ-5234.10 od ich temperatur:
a - powierzchnie wewnętrzne; b - powierzchnie boczne; symbole przedstawiają uśrednione wartości doświadczalne
Powstawanie nagarów i pokostów na powierzchniach części ulega znacznemu nasileniu w przypadku stosowania olejów z grup „B” i „C”, co potwierdzają liczne badania przeprowadzone przez autorów na podobnych i innych typach silników samochodowych.
Systematyczne narastanie osadów lakierniczych na wewnętrznych (nieroboczych) powierzchniach tłoków powoduje, wraz ze wzrostem czasu pracy silnika, zmniejszanie się odprowadzania ciepła do oleju skrzyni korbowej. Powoduje to np. stopniowy wzrost poziomu stanu cieplnego silników w miarę zbliżania się czasu pracy do wymiany oleju przy kolejnym TO-2 samochodu.
Tworzenie się osadów (szlamów) z olejów silnikowych występuje w największym stopniu na powierzchniach skrzyni korbowej i pokrywy zaworów. Wyniki badań sedymentacji w silnikach ZMZ-5234.10 przedstawiono na rys. 5 (dla silników ZMZ-402.10 wyniki są podobne). Oceniano powstawanie osadów na powierzchniach wymienionych części w zależności od ich temperatur, do pomiaru których zamontowano termopary (zgrzewane metodą zgrzewania kondensatorowego): na powierzchniach skrzyni korbowej po 5 sztuk na każdy silnik, na powierzchniach zaworów okładki, 3 sztuki.
Jak wynika z rys. 5, wraz ze wzrostem temperatury powierzchni części silnika sedymentacja na nich zmniejsza się z powodu spadku zawartości wody w oleju skrzyni korbowej, co nie jest sprzeczne z wynikami wcześniejszych eksperymentów innych badaczy. We wszystkich silnikach osady na powierzchniach elementów skrzyni korbowej okazały się większe niż na powierzchniach pokryw zaworów.
Na olejach silnikowych grup wymuszających „B” i „C” sedymentacja na częściach ICE mających kontakt z olejem silnikowym zachodzi intensywniej niż na olejach grup wymuszających „G”, co potwierdzają liczne badania.
W niniejszej pracy nie badano osadów na lusterkach cylindrów podczas eksploatacji silników z najnowocześniejszymi olejami, jednak można śmiało założyć, że dla badanych silników nie będą one większe niż przy eksploatacji z olejami gorszej jakości.
Uzyskane wyniki zależności zmian temperatury w głównych częściach silników ZMZ-402.10 i ZMZ-5234.10 (tłoki, cylindry, pokrywy zaworów i skrzynie olejowe) od ilości osadów pozwoliły zidentyfikować wzorce w procesach powstawania osady, lakiery i osady na powierzchniach tych części. W tym celu wyniki aproksymowano zależnościami funkcjonalnymi metodą najmniejszych kwadratów i przedstawiono na rys. 3-5. Uzyskane prawidłowości procesów powstawania osadów na powierzchniach części samochodowych silników gaźnikowych powinny być brane pod uwagę i wykorzystywane przez projektantów oraz pracowników inżynieryjno-technicznych zajmujących się dostrajaniem i eksploatacją silników spalinowych.
Silnik samochodu pracuje z największą wydajnością tylko w określonych warunkach. Jednym z takich warunków jest optymalny reżim temperaturowy części narażonych na ciepło, zapewniający wysokie parametry techniczne silnika przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia i powstawania osadów, a co za tym idzie – zwiększeniu jego niezawodności.
Optymalny stan cieplny silnika spalinowego charakteryzuje się optymalnymi temperaturami powierzchni jego części narażonych na ciepło. Analizując badania procesów powstawania osadów na częściach badanych silników gaźnikowych ZMZ i podobne badania silników benzynowych, można z wystarczającą dokładnością określić przedziały temperatur optymalnych i niebezpiecznych dla powierzchni części tej klasy silników. Uzyskane informacje przedstawiono w tabeli. 2.
Przy temperaturach części silnika w niebezpiecznej strefie niskich temperatur zwiększa się grubość sadzy na powierzchniach części tworzących komorę spalania, co prowadzi do detonacyjnego spalania mieszanek paliwowo-powietrznych, a także przy niskich temperaturach powierzchni części silnika, zwiększa się na nich ilość osadów z olejów silnikowych. Wszystko to zakłóca normalną pracę silników. Z kolei osady prowadzą do redystrybucji przepływów ciepła przechodzących przez tłoki i wzrostu temperatury tłoka w punktach krytycznych - w środku powierzchni ogniowej dna tłoka oraz w rowku VKK. Pole temperatury tłoka silnika ZMZ-5234.10 z uwzględnieniem osadów i lakierów na jego powierzchniach przedstawiono na rys. 7.
Zagadnienie przewodzenia ciepła metodą elementów skończonych rozwiązano pierwszorzędnym GU uzyskanym przez termometryzowanie tłoka w trybie mocy znamionowej podczas prób stołowych silnika. Z tym samym tłokiem przeprowadzono eksperymenty termoelektryczne, dla których przeprowadzono wstępne badania stanu temperaturowego bez uwzględnienia osadów. Eksperymenty przeprowadzono w identycznych warunkach. Wcześniej silnik pracował na stojaku ponad 80 godzin, po czym rozpoczyna się stabilizacja osadów i lakierów. W efekcie temperatura w środku dna tłoka wzrosła o 24°C, w strefie rowka VPC o 26°C w porównaniu z modelem tłoka bez osadów. Wartość temperatury powierzchni tłoka powyżej VCC 238°C mieści się w niebezpiecznej strefie wysokiej temperatury (Tabela 2). W pobliżu niebezpiecznej strefy wysokiej temperatury i wartości temperatury na środku denka tłoka.
Na etapie projektowania i rozwoju silników wpływ osadów węglowych na powierzchniach odbierających ciepło tłoków oraz lakierów na ich powierzchniach stykających się z olejem silnikowym jest brany pod uwagę niezwykle rzadko. Okoliczność ta wraz z pracą silników jako części pojazdu w warunkach zwiększonych obciążeń termicznych zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia awarii - wypalenia tłoka, zapieczenia pierścieni tłokowych itp.
NA Kuzmin, VV Zelentsov, I.O. Donato
Państwowy Uniwersytet Techniczny w Niżnym Nowogrodzie. ODNOŚNIE. Alekseeva, Zarząd Autostrady Moskwa-Niżny Nowogród
