K hlavným zmenám vlastností pri bežiacom motore dochádza podľa nasledujúce dôvody:
vysoká teplota a oxidačné účinky;
mechanochemické premeny ropných komponentov;
konštantná akumulácia:
produkty transformácie ropy a ich zložky;
produkty spaľovania paliva;
voda;
nosiť výrobky
kontaminanty vo forme prachu, piesku a nečistôt.
Oxidácia.
V bežiacom motore horúci olej neustále cirkuluje a prichádza do styku so vzduchom a produktmi úplného a neúplného spaľovania paliva. Vzduchový kyslík urýchľuje oxidáciu oleja. Tento proces prebieha rýchlejšie v olejoch náchylných na penenie. Kovové povrchyčasti pôsobia ako katalyzátory procesu oxidácie oleja. Olej sa pri kontakte s vyhrievanými časťami (predovšetkým valce, piesty a ventily) zahrieva, čo výrazne urýchľuje proces oxidácie oleja. Výsledkom môžu byť tuhé oxidačné produkty (usadeniny).
Charakter výmeny oleja v bežiacom motore je ovplyvnený nielen chemickými premenami molekúl oleja, ale aj produktmi úplného a neúplného spaľovania paliva, a to ako vo valci, tak aj v tých, ktoré prenikli do kľukovej skrine. .
Vplyv teploty na oxidáciu motorového oleja.
Existujú dva typy teplotných podmienok motora:
prevádzka plne zahriateho motora (mainstreamový režim).
chod studeného motora ( časté zastávky auto).
V prvom prípade sa to pozoruje vysoká teplota režim zmeny vlastností oleja v motore, v druhom - nízka teplota. Existuje mnoho prechodných prevádzkových podmienok. Pri určovaní úrovne kvality oleja sa motorové testy vykonávajú vo vysokoteplotnom aj nízkoteplotnom režime.
Oxidačné produkty a zmeny charakteristík motorového oleja.
Kyseliny (kyseliny). Najvýznamnejšími produktmi oxidácie ropy sú kyseliny. Spôsobujú koróziu kovov, na neutralizáciu vznikajúcich kyselín sa používajú alkalické prísady, v dôsledku čoho sa zhoršujú dispergačné a detergentné vlastnosti a znižuje sa životnosť oleja. Zvýšenie celkového čísla kyslosti, TAN (totalacidnumber) je hlavným indikátorom tvorby kyseliny.
Uhlíkové usadeniny v motore (uhlíkové usadeniny). Na horúcich povrchoch častí motora sa vytvárajú rôzne karbónové usadeniny, ktorých zloženie a štruktúra závisí od teploty povrchu kovu a oleja. Existujú tri typy vkladov:
sadze,
lak,
kal
Je potrebné zdôrazniť, že tvorba a hromadenie usadenín na povrchu častí motora je výsledkom nielen nedostatočnej oxidačnej a tepelnej stability oleja, ale aj jeho nedostatočnej čistiacej schopnosti. Preto je opotrebenie motora a znížená životnosť oleja komplexným ukazovateľom kvality oleja.
Nagar (lak, uhlíkové usadeniny) sú produkty tepelnej deštrukcie a polymerizácie (krakovanie a polymerizácia) zvyškov oleja a paliva. Tvorí sa na vysoko vyhrievaných povrchoch (450° - 950°C). Sadze majú charakteristickú čiernu farbu, hoci niekedy môžu byť biele, hnedé alebo iné farby. Hrúbka vrstvy nánosov sa periodicky mení - pri veľkom množstve nánosov sa zhoršuje odvod tepla, stúpa teplota hornej vrstvy nánosov a dochádza k ich vyhoreniu. V zohriatom motore pracujúcom pod zaťažením sa tvorí menej usadenín. Podľa ich štruktúry môžu byť usadeniny monolitické, husté alebo voľné.
Karbónové usadeniny majú negatívny vplyv na chod a stav motora. Usadeniny v drážkach piestov, okolo krúžkov, bránia ich pohybu a pritláčaniu na steny valca (zaseknutie, prilepenie, prilepenie krúžku). V dôsledku zaseknutia a sťaženia pohybu krúžkov netlačia na steny a nezabezpečujú kompresiu vo valcoch, znižuje sa výkon motora, zvyšuje sa prienik plynu do kľukovej skrine a spotreba oleja. Pritlačenie krúžkov nánosmi na steny valcov vedie k nadmernému opotrebovaniu valcov (nadmerné opotrebovanie).
Leštenie stien valcov (borepolishing) - usadeniny na vrchu piestov (piesttopland) leštia vnútorné steny valcov. Leštenie zabraňuje zadržiavaniu a zachovaniu olejového filmu na stenách a výrazne urýchľuje rýchlosť opotrebovania.
Lak (lak). Tenká vrstva hnedej až čiernej tvrdej alebo lepkavej uhlíkatej látky, ktorá sa tvorí na stredne zahriatych povrchoch v dôsledku polymerizácie tenkej vrstvy oleja v prítomnosti kyslíka. Plášť a vnútorný povrch piestu, ojnice a piestne čapy, drieky ventilov a dná valcov. Lak výrazne zhoršuje odvod tepla (najmä piestu), znižuje pevnosť a trvácnosť olejového filmu na stenách valcov.
Usadeniny v spaľovacej komore (usadeniny v spaľovacej komore) vznikajú z uhlíkových častíc (koks) v dôsledku nedokonalého spaľovania paliva a kovových solí obsiahnutých v prísadách v dôsledku tepelného rozkladu olejových zvyškov vstupujúcich do komory. Tieto usadeniny sa zahrievajú a spôsobujú predčasné horenie. pracovná zmes(kým sa neobjaví iskra). Tento typ zapálenia sa nazýva predčasné alebo predčasné zapálenie. To vytvára dodatočné napätie v motore (detonáciu), čo vedie k zrýchlenému opotrebovaniu ložísk a kľukový hriadeľ. Okrem toho sa jednotlivé časti motora prehrievajú, výkon klesá a spotreba paliva stúpa.
Zanesené zapaľovacie sviečky (znečistenie zapaľovacej sviečky). Usadeniny nahromadené okolo elektródy zapaľovacej sviečky uzatvárajú iskrisko, iskra slabne a zapaľovanie je nepravidelné. Výsledkom je zníženie výkonu motora a zvýšenie spotreby paliva.
Živice, kal, živicové usadeniny (usadeniny) (živice, kal, kalové usadeniny) v motore vzniká kal v dôsledku:
oxidácia a iné premeny ropy a jej zložiek;
hromadenie paliva alebo produktov rozkladu a neúplného spaľovania v oleji;
voda.
Živicové látky vznikajú v oleji v dôsledku jeho oxidačných premien (zosieťovanie oxidovaných molekúl) a polymerizácie produktov oxidácie a nedokonalého spaľovania paliva. Tvorba dechtu sa zvyšuje, keď motor nie je dostatočne zahriaty. Produkty neúplného spaľovania paliva prenikajú do kľukovej skrine motora počas dlhšej prevádzky. Voľnobeh alebo v režime stop-štart. Pri vysokých teplotách a intenzívnej prevádzke motora sa palivo úplnejšie spaľuje. Na zníženie tvorby dechtu sa do motorových olejov zavádzajú disperzné prísady, ktoré zabraňujú koagulácii a sedimentácii dechtov. Živice, častice uhlíka, vodná para, frakcie ťažkých palív, kyseliny a iné zlúčeniny kondenzujú, zrážajú sa na väčšie častice a vytvárajú v oleji kal, tzv. čierny kal.
Kal (kal) je suspenzia a emulzia v oleji nerozpustných pevných a živicových látok od hnedej po čiernu. Zloženie kalu z kľukovej skrine:
olej 50-70%
voda 5-15%
produkty oxidácie oleja a nedokonalého spaľovania paliva, pevné častice - zvyšok.
V závislosti od teploty motora a oleja sa procesy tvorby kalu mierne líšia. Existujú nízke a vysoké teploty
Nízkoteplotný kal (nízkoteplotný kal). Vzniká, keď prienikové plyny obsahujúce zvyškové palivo a vodu interagujú s olejom v kľukovej skrini. V studenom motore sa voda a palivo vyparujú pomalšie, čo prispieva k tvorbe emulzie, ktorá sa následne mení na kal. Vznik kalu v kľukovej skrini je príčinou:
zvýšenie viskozity (zahustenie) oleja (zvýšenie viskozity);
upchávanie kanálov mazacieho systému (blokovanie žľabov);
porucha dodávky oleja (hladovanie oleja).
Tvorba kalu v rocker boxe je príčinou nedostatočného vetrania tohto boxu (foulairventing). Výsledný kal je mäkký a drobivý, ale pri zahrievaní (počas dlhej cesty) sa stáva tvrdým a krehkým.
Vysokoteplotný kal (vysokoteplotný kal). Vzniká v dôsledku vzájomného spojenia oxidovaných molekúl oleja pod vplyvom vysokej teploty. Zvýšenie molekulovej hmotnosti oleja vedie k zvýšeniu viskozity.
V dieselovom motore je tvorba kalu a zvýšenie viskozity oleja spôsobené hromadením sadzí. Tvorbu sadzí podporuje preťaženie motora a zvýšenie obsahu tuku v pracovnej zmesi.
Spotreba aditív. Spotreba a aktivácia prísad je určujúcim procesom pre zníženie životnosti oleja. Najdôležitejšie prísady v motorovom oleji - detergenty, dispergátory a neutralizátory - sa používajú na neutralizáciu kyslých zlúčenín, zadržiavajú sa vo filtroch (spolu s oxidačnými produktmi) a rozkladajú sa pri vysoké teploty. Spotrebu aditív možno nepriamo posúdiť podľa celkového poklesu základné číslo TBN. Kyslosť oleja sa zvyšuje v dôsledku tvorby kyslých oxidačných produktov samotného oleja a produktov spaľovania paliva obsahujúcich síru. Reagujú s prísadami, zásaditosť oleja postupne klesá, čo vedie k zhoršeniu detergentných a dispergačných vlastností oleja.
Účinok zvýšenia výkonu a posilnenia motora. Antioxidačné a detergentné vlastnosti oleja sú obzvlášť dôležité pri posilňovaní motorov. Benzínové motory sú posilnené zvýšením kompresného pomeru a otáčok kľukového hriadeľa, zatiaľ čo vznetové motory sú posilnené zvýšením efektívneho tlaku (hlavne pomocou turbodúchadla) a otáčok kľukového hriadeľa. Pri zvýšení otáčok kľukového hriadeľa o 100 ot/min alebo pri zvýšení efektívneho tlaku o 0,03 MPa sa teplota piesta zvýši o 3°C. Pri posilňovaní motorov sa zvyčajne znižuje ich hmotnosť, čo vedie k zvýšeniu mechanického a tepelného zaťaženia dielov.
UMÝVANIE ĽADU.
Počas prevádzky vozidla, aj pri použití vysokokvalitných motorových olejov, sa na vnútorných povrchoch motora a kanálov mazacieho systému nevyhnutne tvoria škodlivé karbónové usadeniny. Pri výmene oleja tiež nevyhnutne zostáva nejaký starý použitý motorový olej vo vnútorných dutinách motora. Preto, ak sa čerstvý motorový olej naleje ihneď po vypustení použitého oleja bez toho, aby ste najprv vypláchli motor, detergentné prísady novo naplnený olej začne okamžite aktívne rozpúšťať všetky tieto usadeniny a nečistoty zostávajúce v motore, čo následne môže viesť k množstvu extrémne negatívne dôsledky: najmä k čiastočnému upchatiu olejového filtra a tým k zníženiu účinnosti jeho prevádzky, ako aj k predčasnému použitiu balíka aditív a strate čistiace vlastnostičerstvý motorový olej. To všetko má najnepriaznivejší vplyv na životnosť motora a jeho výkonové charakteristiky. Potreba prepláchnutia mazacieho systému pri výmene motorového oleja je dnes úplne samozrejmá, nikto o tom nepochybuje a nepotrebuje žiadne dodatočné odôvodnenie. V spaľovacej komore benzínového motora, kam vstupuje zmes paliva a vzduchu, dochádza k jej zapáleniu, úplnému alebo čiastočnému spáleniu, čo vedie k tvorbe uhlíkových usadenín. Okrem toho produkty nedokonalého spaľovania paliva spôsobujú tvorbu usadenín laku na vnútorných povrchoch motora. Ďalej väčšina produktov spaľovania odchádza cez výfukový systém, ale malá časť plynov prenikne do kľukovej skrine, a preto sa dostane do kontaktu s motorový olej. V tomto prípade dochádza k oxidácii a riedeniu oleja, tvoria sa ťažko rozpustné oxidačné produkty, ktoré následne navyše prispievajú k tvorbe kalu a iných usadenín. IN dieselové motory Síra navyše vstupuje do spaľovacej komory spolu s palivom. V dôsledku oxidačných reakcií síry počas spaľovania zmes paliva a vzduchu vytvárajú sa škodlivé usadeniny, čo má za následok koróziu a opotrebovanie motora. Uhlíkové usadeniny, ktoré sa tvoria na vnútorných povrchoch, kanáloch mazacieho systému a častiach motora, vedú nielen k zhoršeniu odvodu tepla, ale aj k výraznému zníženiu priľnavosti oleja na trecie plochy, čo následne zhoršuje zadržiavanie olejového filmu na častiach motora. v trecích jednotkách.
Príčiny tvorby usadenín a sadzí v motore
Použitie kvalitné oleje neodstraňuje problém koksovania, pretože v motore sa môžu vytvárať povlaky a karbónové usadeniny z dôvodov, ktoré nesúvisia s kvalitou paliva a mazív:
1. Prehrievanie motora . V dôsledku pravidelného prehrievania olej rýchlejšie starne, stráca viskozitu a vytvára polymérne usadeniny v drážkach pod piestnymi krúžkami, na stenách spaľovacej komory, mazacieho systému a ďalších dielov.
2. Prevádzka pri nízkych teplotách . Vodná para vznikajúca pri spaľovaní paliva reaguje so studeným olejom, čo vedie k tvorbe kalu v kľukovej skrini.
3. Mestský prevádzkový režim . Krátke výlety a uviaznutie v dopravných zápchach. Pri tomto type prevádzky sa motor nenaštartuje normálny režim práce a v dôsledku toho začína karbonizácia skupiny valec-piest.
4. Neskorá výmena oleja vedie k prudkému nárastu usadenín v dôsledku procesov starnutia.
5. Opotrebenie turbodúchadla , v dôsledku čoho sa do oleja začne dostávať horúca voda výpary z dopravy a vlastnosti výmeny oleja.
6. Nemrznúca zmes sa dostáva do kľukovej skrine keď dôjde k odtlakovaniu chladiaceho systému, čo zmení vlastnosti oleja a spustí jeho polymerizačné procesy.
7. Nekvalitné palivo . Keď palivo nie je úplne spálené, časť z neho vstupuje cez krúžky do kľukovej skrine motora a urýchľuje proces starnutia oleja.
8. Vzdelávanie nadmerné množstvo sadze v dôsledku slabej kompresie alebo neskorého vstrekovania paliva v dieselových motoroch.
Pri destilácii ropy s nízkym obsahom zlúčenín síry sa získavajú motorové nafty s vysokou chemickou stabilitou. Takéto palivá si zachovávajú svoju kvalitu po dlhú dobu (viac ako 5 rokov skladovania).
Po použití takéhoto paliva sa v dieselovom motore objavujú usadeniny sadzí a dechtu. Dôvodom je neúplné odparovanie a slabé rozprášenie motorovej nafty vo valcoch v dôsledku vysokej viskozity paliva s ťažkým frakčným zložením. Okrem toho prítomnosť mechanických nečistôt v motorovej nafte spôsobuje tvorbu uhlíka.
V dôsledku toho prítomnosť síry, skutočných živíc, popola (nehorľavých nečistôt) v palive a tendencia takéhoto paliva vytvárať sadze určuje dynamiku akumulácie sadzí, ktorá je charakterizovaná číslom koksu, t.j. schopnosť paliva vytvárať uhlíkatý zvyšok pri vysokoteplotnom (viac ako 800...900? C) rozklade paliva bez prístupu vzduchu.
Uhlíkový zvyšok alebo minerálny zvyšok je popol, t.j. nehorľavá nečistota, ktorá zvyšuje tvorbu uhlíka. Okrem toho spôsobuje popol, ktorý sa dostáva do motorového oleja zrýchlené opotrebovaniečasti spaľovacieho motora. Preto je množstvo popola obmedzené na maximálne 0,01 %. Dôvodom vzniku uhlíkatého zvyšku sú teda tieto faktory:
1) nedostatočná hĺbka čistenia paliva od živicovo-asfalténových zlúčenín;
2) zvýšená viskozita motorovej nafty;
3) ťažké frakčné zloženie paliva.
Tiež sklon motorovej nafty k sadzi je charakterizovaný obsahom skutočných živíc v nej, t.j. nečistoty zostávajúce po čistení základných destilátorov. Skutočné živice spôsobujú dechtovanie paliva v dôsledku prítomnosti nenasýtených uhľovodíkov v palive, ktorých množstvo sa posudzuje podľa jódového čísla.
Jódové číslo je ukazovateľ nenasýtených uhľovodíkov (olefínov) v motorovej nafte, ktorý sa číselne rovná počtu gramov jódu pridaného do nenasýtených uhľovodíkov obsiahnutých v 100 g paliva.
Typicky nenasýtené uhľovodíky (olefíny) reagujú a spájajú sa s jódom. To znamená, že čím viac nenasýtených uhľovodíkov je v palive, tým viac jódu reaguje. Množstvo nenasýtených uhľovodíkov, ktoré reagujú s jódom, sa považuje za normálne a nepresahuje 6 g jódu na 100 g zimnej alebo letnej motorovej nafty.
Čím viac skutočných živíc v motorovej nafte, tým vyššia je tendencia k tvorbe uhlíkových usadenín. Preto by obsah skutočných živíc nemal prekročiť:
· pre zimnú motorovú naftu - 30 mg na 100 ml;
· pre letnú motorovú naftu - 60 mg na 100 ml.
Sklon motorovej nafty k tvorbe laku sa hodnotí podľa obsahu laku v mg na 100 ml paliva. K tomu sa palivo odparuje v špeciálnom formovači laku pri teplote 250 C.
Závery:
1) Pri prevádzke naftového motora na sírové palivo sa vytvárajú silné, ťažko odstrániteľné usadeniny uhlíka a laku, čo spôsobuje opotrebovanie častí motora pri prevádzke pri nízkych teplotách.
2) Koksovanie paliva tiež vedie k tvorbe sadzí a laku, čo môže viesť k zaseknutiu piestne krúžky.
3) V dôsledku prítomnosti častíc merkaptickej síry v palive sa pri oxidácii paliva tvoria živice, ktoré sa v kombinácii so živicami vytvorenými z olefínov a tiež skutočnými živicami, ktoré sú v motorovej nafte, ukladajú na ihly injektorov, čo časom spôsobí, že ihly visia vo vnútri injektorov.
4) Multifunkčné aditíva a ich vplyv na vlastnosti motorovej nafty.
Zlepšenie vlastností motorovej nafty sa dosahuje zavedením multifunkčných prísad do ich zloženia, ako sú:
· Depresor;
· Zvyšuje cetánové číslo;
· Antioxidant;
· Detergent-dispergátor;
· Zníženie dymivosti výfukových plynov atď.
Protidymové prísady značiek MST-15, ADP-2056, EFAP-6 v koncentrácii 0,2...0,3 dokážu znížiť opacitu výfukových plynov o 40...50% a znížiť obsah sadzí.
Antikorózna prísada značky naftenát zinočnatý v koncentrácii 0,25...0,3%, pridávaná do motorového oleja, účinne neutralizuje deštruktívne účinky kyselín.
Pre zvýšenie cetánové číslo Na zlepšenie jeho východiskových vlastností sa používajú DT aditíva: tionitrát RNSO; izopropylnitráty; peroxid RCH 2 ONO v koncentrácii 0,2...0,25 %.
Na zníženie bodu tuhnutia sa používajú depresívne prísady - kopolyméry etylénu a vinylacetánu s koncentráciou 0,001...2,0%. Pokrývajú mikrokryštály tvrdnúceho parafínu monomolekulárnou vrstvou, čím zabraňujú ich zväčšovaniu a strate.
Antioxidačné prísady v koncentrácii 0,001...0,1% zvyšujú tepelno-oxidačnú odolnosť palív.
Antikorózne prísady v koncentrácii 0,0008...0,005% znižujú korozívnosť motorovej nafty.
Biocídne prísady v koncentrácii 0,005...0,5%, ktoré potláčajú rast mikroorganizmov v palive.
Multifunkčné aditíva pozostávajúce z depresívnych, detergentných a protidymových zložiek, ktoré nielen rozširujú nízkoteplotné vlastnosti palív, ale aj znižujú toxicitu výfukových plynov. Napríklad zavedenie aditíva ADDP do motorová nafta v množstve 0,05...0,3% zníži bod tuhnutia paliva o 20...25%, a teplota filtrovateľnosti sa zníži o 10...12 C, dym - o 20...55 C, a tvorba uhlíka - o 50...60% .
Zavedenie rôznych aditív a prísad do motorovej nafty teda výrazne zlepšuje jej výkonnostné vlastnosti.
VPLYV TEPLOTY NA NÁKLADY V MOTORE
Štúdium usadenín v motoroch automobilov.
Jedna z rezerv na zvýšenie výkonu prevádzková spoľahlivosť ICE sa znižuje uhlíkové usadeniny ov, laky a usadeniny na povrchoch ich častí v kontakte s motorovým olejom. Ich vznik je založený na procesoch starnutia olejov (oxidácia uhľovodíkov, ktoré tvoria ropný základ). Stanovenie vplyvu na procesy oxidácie oleja v motoroch, tvorbu usadenín a účinnosť prevádzka spaľovacieho motora vo všeobecnosti má tepelný účinok na tepelne zaťažené časti.
Kľúčové slová: teplota, piest, valec, motorový olej, usadeniny, karbónové usadeniny, lak, výkon, spoľahlivosť.
Usadeniny na povrchoch častí spaľovacích motorov sa delia na tri hlavné typy - karbónové usadeniny, laky a usadeniny (kal).
Uhlíkové usadeniny sú tuhé uhlíkaté látky usadené na povrchoch spaľovacej komory (CC) počas prevádzky motora. V tomto prípade karbónové usadeniny závisia najmä od teplotných podmienok, a to aj pri podobnom zložení zmesi a rovnakom dizajne častí motora. Karbónové usadeniny majú veľmi významný vplyv na proces spaľovania zmesi vzduchu a paliva v motore a na životnosť jeho prevádzky. Takmer všetky typy abnormálneho spaľovania (detonačné horenie, žeravé zapálenie a iné) sú sprevádzané jedným alebo druhým vplyvom uhlíkových usadenín na povrchoch častí tvoriacich spaľovaciu komoru.
Lak je produktom zmeny (oxidácie) tenkých olejových filmov, ktoré roztierajú a prekrývajú diely skupina valec-piest(CPG) motora vplyvom vysokých teplôt. Najväčšie poškodenie spaľovacieho motora je spôsobené tvorbou laku v oblasti piestnych krúžkov, čo spôsobuje koksovacie procesy (výskyt so stratou pohyblivosti). Laky usadené na povrchoch piestov v kontakte s olejom narúšajú správny prenos tepla cez piest a zhoršujú odvod tepla z neho.
Kvalita motorového oleja má rozhodujúci vplyv na množstvo usadenín (kalov) vznikajúcich v spaľovacom motore. teplotný režim diely, konštrukčné vlastnosti motora a prevádzkové podmienky. Vklady tohto typu sú pre podmienky najtypickejšie zimná prevádzka, zintenzívniť s častým štartovaním a vypínaním motora.
Termálne stav motora má rozhodujúci vplyv na vzdelávacie procesy rôzne druhy usadeniny, indikátory pevnosti materiálov dielov, výkonové efektívne ukazovatele motorov, procesy opotrebovania povrchov dielov. V tejto súvislosti je potrebné poznať prahové teploty častí CPG, aspoň v charakteristických bodoch, ktorých prekročenie vedie k vyššie uvedeným negatívnym dôsledkom.
Je vhodné analyzovať teplotný stav častí spaľovacieho motora CPG pomocou hodnôt teploty v charakteristických bodoch, ktorých umiestnenie je znázornené na obr. 1. Teplotné hodnoty v týchto bodoch by sa mali brať do úvahy pri výrobe, testovaní a vývoji motorov na optimalizáciu konštrukcií dielov, pri výbere motorových olejov, pri porovnávaní tepelných stavov rôznych motorov, pri rozhodovaní o množstve ďalších motorov. technické problémy konštrukcia a prevádzka spaľovacích motorov.
Ryža. 1. Charakteristické body valca a piestu spaľovacieho motora pri analýze ich teplotného stavu pre dieselové (a) a benzínové (b) motory
Tieto hodnoty majú kritické úrovne:
1. Maximálna hodnota teploty v bode 1 (v dieselových motoroch - na okraji spaľovacieho priestoru, v benzínových motoroch - v strede dna piestu) by nemala presiahnuť 350 C (krátkodobo 380 C) pre všetky komerčne dostupné hliníkové zliatiny Používa sa pri konštrukcii automobilových motorov, inak sa okraje spaľovacej komory pri dieselových motoroch roztavia a pri benzínových motoroch často dôjde k vyhoreniu piestov. Okrem toho vysoké teploty horiaceho povrchu dna piestu spôsobujú tvorbu vysokotvrdých usadenín uhlíka na tomto povrchu. V praxi výroby motorov sa táto kritická hodnota teploty môže zvýšiť pridaním kremíka, berýlia, zirkónu, titánu a iných prvkov do zliatiny piestu.
Prevencia prekročenia kritických teplôt na tomto mieste, ako aj v objemoch častí spaľovacích motorov je zabezpečená aj optimalizáciou ich tvarov a správna organizácia chladenie. Teploty častí CPG motorov prekračujúce prípustné hodnoty sú zvyčajne hlavným limitujúcim faktorom pre zvýšenie ich výkonu. Úrovne teploty by mali mať určitú rezervu, berúc do úvahy možné extrémnych podmienkach prevádzka.
2. Kritická hodnota teploty v bode 2 piestu - nad horným kompresným krúžkom (UCR) - 250...260С (krátkodobo, do 290С). Pri prekročení tejto hodnoty všetky sériovo vyrábané motorové oleje koksujú (dochádza k intenzívnej tvorbe laku), čo vedie k „prilepeniu“ piestnych krúžkov, to znamená strate ich pohyblivosti a v dôsledku toho k výraznému zníženiu kompresie. , zvýšenie spotreby motorového oleja atď.
3. Maximálna maximálna hodnota teploty v bode 3 piesta (bod je umiestnený symetricky pozdĺž prierezu hlavy piesta na jeho vnútornej strane) je 220C. Pri vyšších teplotách dochádza k intenzívnej tvorbe laku na vnútornom povrchu piestu. Usadeniny laku sú zase silnou tepelnou bariérou, ktorá zabraňuje prenosu tepla cez olej. To automaticky vedie k zvýšeniu teplôt v celom objeme piesta, a teda aj na povrchu povrchu valca.
4. Maximálne prípustnú hodnotu teploty v bode 4 (nachádza sa na povrchu valca oproti miestu, kde sa VCC zastaví na TDC) - 200C. Ak je prekročená, motorový olej sa zriedi, čo vedie k strate stability pri vytváraní olejového filmu na zrkadle valca a „suchému“ treniu krúžkov na zrkadle. To spôsobuje zintenzívnenie molekulárneho mechanického opotrebovania častí CPG. Na druhej strane je známe, že nízka teplota stien valcov (pod rosným bodom výfukových plynov) urýchľuje ich korózno-mechanické opotrebovanie. Zhoršuje sa aj tvorba zmesi a znižuje sa rýchlosť spaľovania zmesi vzduch-palivo, čo znižuje účinnosť a hospodárnosť motora, čo spôsobuje zvýšenie toxicity výfukových plynov. Treba tiež poznamenať, že pri výrazne nižších teplotách piestov a valcov spôsobuje kondenzovaná vodná para prenikajúca do oleja kľukovej skrine intenzívnu koaguláciu nečistôt a hydrolýzu prísad s tvorbou sedimentov - „kalov“. Tieto usadeniny, znečisťujúce olejové kanály, siete na olejové vane, olejové filtre, výrazne porušovať normálna práca mazací systém.
Intenzitu procesov tvorby usadenín sadzí, lakov a sedimentov na povrchoch častí spaľovacích motorov výrazne ovplyvňuje starnutie motorových olejov počas ich prevádzky. Starnutie ropy pozostáva z hromadenia nečistôt (vrátane vody), zmien ich fyzikálno-chemických vlastností a oxidácie uhľovodíkov.
Zmena frakčného zloženia čistého plneného oleja počas chodu motora je spôsobená najmä dôvodmi, ktoré menia zloženie jeho olejovej bázy a percentá prísady do jednotlivých zložiek (parafínové, aromatické, nafténové).
Tie obsahujú:
procesy tepelného rozkladu oleja v prehriatych zónach (napríklad vo ventilových puzdrách, oblastiach horných piestnych krúžkov, na povrchoch horných remeňov zrkadla valca). Takéto procesy vedú k oxidácii najľahších frakcií ropného základu alebo dokonca k ich čiastočnému vyvareniu;
pridávanie neodpareného paliva do základných uhľovodíkov, ktoré vstupuje do olejovej vane kľukovej skrine cez oblasť tesnenia piestu počas počiatočných období štartovania (alebo s prudkým zvýšením dodávky paliva do valcov na zrýchlenie vozidla);
vniknutie vody do panvy kľukovej skrine alebo olejovej vane motora, ktoré je výsledkom spaľovania paliva v spaľovacej komore valca.
Ak systém vetrania kľukovej skrine funguje pomerne efektívne a steny kľukovej skrine sú zahriate na 90-95 °C, voda na nich nekondenzuje a je odvádzaná do atmosféry systémom vetrania kľukovej skrine. Ak sa teplota stien kľukovej skrine výrazne zníži, potom sa voda, ktorá sa dostane do oleja, zúčastní procesov jeho oxidácie. Množstvo skondenzovanej vody môže byť dosť významné. Aj keď predpokladáme, že len 2 % plynov dokážu preraziť všetky kompresné krúžky valca, potom sa cez kľukovú skriňu motora so zdvihovým objemom 2-2,5 litra na každých 1000 km prečerpá 2 kg vody. Predpokladajme, že 95% vody je odstránených systémom vetrania kľukovej skrine, potom aj tak po 5 000 km budú 4,0 litra motorového oleja obsahovať asi 0,5 litra H2O. Počas prevádzky motora sa táto voda premieňa antioxidačným aditívom obsiahnutým v motorovom oleji na nečistoty - koks a popol.
Z vyššie uvedených dôvodov je potrebné pri bežiacom motore udržiavať dostatočne vysokú teplotu stien kľukovej skrine a v prípade potreby použiť mazacie systémy so suchou vaňou a samostatnou olejovou nádržou.
Treba poznamenať, že opatrenia, ktoré spomaľujú procesy zmien v zložení olejovej bázy, výrazne spomaľujú tvorbu sadzí, lakov a sedimentov a tiež znižujú mieru opotrebovania hlavných častí automobilových motorov.
Frakčný a chemické zloženie oleje sa môžu značne líšiť
limity pod vplyvom rôznych faktorov:
povaha suroviny v závislosti od poľa, vlastnosti ropného vrtu;
vlastnosti technológie výroby motorového oleja;
vlastnosti prepravy a doby skladovania olejov.
Na predbežné hodnotenie vlastností ropných produktov sa používajú rôzne laboratórne metódy: stanovenie krivky zrýchlenia, bodov vzplanutia, zákalu a tuhnutia, hodnotenie oxidácie v prostrediach s rôznou agresivitou atď.
Starnutie automobilového motorového oleja je založené na procesoch oxidácie, rozkladu a polymerizácie uhľovodíkov, ktoré sú sprevádzané procesmi kontaminácie oleja rôznymi nečistotami (uhlíkové usadeniny, prach, kovové častice, voda, palivo atď.). Procesy starnutia výrazne menia fyzikálne a chemické vlastnosti oleja, vedú k vzniku rôznych produktov oxidácie a opotrebovania v ňom a zhoršujú jeho výkonnosť. Rozlišujú sa tieto typy oxidácie oleja v motoroch: v hrubej vrstve - v olejovej vani alebo v olejovej nádrži; v tenkej vrstve - na povrchy horúcich kovových častí; v hmlovom (kvapkajúcom) stave - v kľukovej skrini, ventilovej skrini atď. V tomto prípade oxidácia oleja v hrubej vrstve vytvára sediment vo forme kalu a v tenkej vrstve - vo forme laku.
Oxidácia uhľovodíkov podlieha teórii peroxidov A.N. Bach a K.O. Engler, doplnený o P.N. Chernozhukov a S.E. Žeriav. Oxidácia uhľovodíkov, najmä v motore motorové oleje, môže ísť dvoma hlavnými smermi, znázornenými na obr. 2, pričom výsledky oxidácie sú rôzne. V tomto prípade sú výsledkom oxidácie v prvom smere kyslé produkty (kyseliny, hydroxykyseliny, estolity a asfaltogénne kyseliny), ktoré tvoria zrážanie pri nízkych teplotách; výsledkom oxidácie v druhom smere sú neutrálne produkty (karbény, karboidy, asfaltény a živice), z ktorých sa pri zvýšených teplotách v rôznom pomere vytvárajú buď laky alebo uhlíkové usadeniny.
Ryža. 2. Cesty oxidácie uhľovodíkov v ropnom produkte (napríklad v motorovom oleji pre spaľovacie motory)
V procesoch starnutia oleja zohráva úlohu voda vstupujúca do oleja počas kondenzácie jeho pár z plyny z kľukovej skrine alebo inými spôsobmi. V dôsledku toho vznikajú emulzie, ktoré následne zosilňujú oxidačnú polymerizáciu molekúl oleja. Interakcia hydroxykyselín a iných produktov oxidácie oleja s emulziami voda-olej spôsobuje zvýšenú tvorbu usadenín (kalov) v motore.
Výsledné častice kalu, ak nie sú neutralizované prísadou, slúžia ako centrá katalýzy a urýchľujú rozklad časti oleja, ktorá ešte neoxidovala. Ak neurobíte včasná výmena motorového oleja, proces oxidácie bude prebiehať ako reťazová reakcia so zvyšujúcou sa rýchlosťou so všetkými z toho vyplývajúcimi dôsledkami.
Rozhodujúci vplyv na tvorbu karbónových usadenín, lakov a usadenín na povrchoch častí spaľovacích motorov v styku s motorovým olejom má ich tepelný stav. Na druhej strane konštrukčné vlastnosti motorov, ich prevádzkové podmienky, prevádzkové režimy atď. určujú tepelný stav motorov a tým ovplyvňujú procesy tvorby usadenín.
Rovnako dôležitý vplyv na tvorbu usadenín v spaľovacom motore majú vlastnosti použitého motorového oleja. Pre každý konkrétny motor je dôležité dodržať výrobcom odporúčanú teplotu povrchov častí, ktoré sú v kontakte s olejom.
Táto práca analyzuje vzťah medzi teplotami povrchov piestov motory ZMZ-402.10 a ZMZ-5234.10 a procesy tvorby usadenín uhlíkových usadenín a lakov na nich, ako aj hodnotenie sedimentácie na povrchoch kľukovej skrine a veka ventilov motorov pri použití motorového oleja M 63/12G1 odporúčaného výrobca.
Na štúdium závislosti kvantitatívnych charakteristík usadenín v motoroch od ich tepelného stavu a prevádzkových podmienok možno použiť rôzne metódy, napríklad L-4 (Anglicko), 344-T (USA), PZV (ZSSR) atď. Najmä podľa metódy 344-T, čo je normatívny dokument USA, stav „čistého“ neopotrebeného motora je hodnotený 0 bodmi; stav extrémne opotrebovaného a znečisteného motora je 10 bodov. Podobnou metódou hodnotenia tvorby laku na povrchoch piestov je domáca metóda EPV (autori: K.K. Papok, A.P. Zarubin, A.V. Vipper), ktorej farebná škála má body od 0 (žiadne nánosy laku) do 6 (maximálne nánosy laku). Ak chcete previesť body stupnice EPV na body metódy 344-T, hodnoty prvého sa musia zvýšiť jeden a pol krát. Táto metóda je podobná domácej metóde negatívneho hodnotenia sedimentov vo Všeruskom vedecko-výskumnom ústave NP (10 bodová stupnica).
Pre experimentálny výskum Bolo použitých 10 motorov ZMZ-402.10 a ZMZ-5234.10. Experimenty na štúdium procesov tvorby usadenín sa uskutočnili spoločne s laboratóriami na testovanie osobných automobilov a kamióny UKER GAZ na stojanoch motora. Počas testov sa okrem iného sledovali prietoky vzduchu a paliva, tlak a teplota výfukových plynov, teplota oleja a chladiacej kvapaliny. Súčasne boli na stojanoch zachované nasledujúce režimy: zodpovedajúca rýchlosť otáčania kľukového hriadeľa maximálny výkon(100% zaťaženie) a striedavo na 3,5 hodiny - 70% zaťaženie, 50% zaťaženie, 40% zaťaženie, 25% zaťaženie a bez zaťaženia (s uzavretým škrtiace ventily), t.j. boli vykonané experimenty na charakteristikách zaťaženia motorov. Zároveň bola udržiavaná teplota chladiacej kvapaliny v rozmedzí 90...92C, teplota oleja v hlavnom olejovom potrubí bola 90...95C. Potom sa motory rozobrali a vykonali sa potrebné merania.
Predtým sa robili štúdie o zmenách fyzikálno-chemických parametrov motorových olejov počas testovania motorov ZMZ-402.10 ako súčasti vozidiel GAZ-3110 na testovacom mieste UKER GAZ. V tomto prípade sú splnené tieto podmienky: priemer technická rýchlosť 30…32 km/h, teplota okolia 18…26C, dojazd do 5000 km. Výsledkom testov sa zistilo, že so zvyšujúcim sa počtom najazdených kilometrov vozidla (doba prevádzky motora) sa zvýšilo množstvo mechanických nečistôt a vody v motorových olejoch, jeho počet koksu a obsah popola a nastali ďalšie zmeny, ktoré sú prezentované v tabuľke. 1
Tvorba uhlíka na povrchoch dna piestov motorov ZMZ-5234.10 bola charakterizovaná údajmi uvedenými na obr. 3 (pre motory ZMZ-402.10 sú výsledky podobné). Z analýzy obrázku vyplýva, že so zvýšením teploty dna piestov zo 100 na 300 °C sa hrúbka (zóna existencie) uhlíkových usadenín znížila z 0,45...0,50 na 0,10...0,15 mm. , čo sa vysvetľuje spaľovaním karbónových usadenín so zvyšujúcimi sa povrchovými teplotami motorov. Tvrdosť sadzí vzrástla z 0,5 na 4,0...4,5 bodov v dôsledku spekania sadzí pri vysokých teplotách.
Ryža. 3. Závislosť tvorby uhlíka na povrchoch dna piestov motorov ZMZ-5234.10 od ich teplôt:
a - hrúbka uhlíkového nánosu; b - tvrdosť sadzí;
symboly označujú priemerné experimentálne hodnoty
Hodnotenie veľkosti nánosov laku na bočných plochách piestov a ich vnútorných (nepracovných) plochách sa realizovalo aj na desaťbodovej škále, podľa metódy 344-T, používanej vo všetkých popredných výskumných inštitúciách v r. krajina.
Údaje o tvorbe laku na povrchoch piestov motora sú uvedené na obr. 4 (výsledky pre študované značky motorov sú rovnaké). Testovacie režimy sú uvedené skôr a zodpovedajú režimom pri štúdiu tvorby uhlíka na častiach.
Z analýzy obrázku vyplýva, že tvorba laku na povrchoch piestov motora zreteľne narastá so zvyšujúcou sa teplotou ich povrchov. Intenzitu tvorby laku ovplyvňuje nielen zvýšenie teploty povrchov dielov, ale aj dĺžka jeho pôsobenia, t.j. prevádzková doba motora. V tomto prípade sú však procesy tvorby laku na pracovných (trecích) plochách piestov v porovnaní s vnútornými (nepracovnými) plochami výrazne spomalené, a to v dôsledku odierania vrstvy laku v dôsledku trenia.
Ryža. 4. Závislosť nánosov laku na povrchoch piestov motorov ZMZ-5234.10 od ich teplôt:
a - vnútorné povrchy; b - bočné plochy; symboly označujú priemerné experimentálne hodnoty
Tvorba uhlíka a laku na povrchoch dielov sa výrazne zintenzívňuje pri použití olejov skupín „B“ a „C“, čo potvrdzuje množstvo štúdií vykonaných autormi na podobných a iných typoch automobilových motorov.
Systematický nárast usadenín laku na vnútorných (nepracovných) povrchoch piestov spôsobuje pokles prenosu tepla do oleja kľukovej skrine so zvyšujúcimi sa prevádzkovými hodinami motora. To spôsobuje napríklad postupné zvyšovanie úrovne tepelného stavu motorov, keď sa prevádzkový čas blíži k výmene oleja pri ďalšej údržbe-2 automobilu.
K tvorbe sedimentu (kalu) z motorových olejov dochádza v najväčšej miere na povrchoch kľukovej skrine a veka ventilov. Výsledky štúdií tvorby sedimentov v motoroch ZMZ-5234.10 sú uvedené na obr. 5 (pre motory ZMZ-402.10 sú výsledky podobné). Tvorba sedimentov na povrchoch vyššie uvedených častí bola hodnotená v závislosti od ich teplôt, na meranie ktorých boli namontované termočlánky (navarené kondenzátorovým zváraním): na povrchy kľukovej skrine, 5 kusov pre každý motor, na povrchy kryty ventilov- každý po 3 kusoch.
Ako vyplýva z obr. 5, so zvyšujúcimi sa povrchovými teplotami častí motora sa tvorba sedimentov na nich znižuje v dôsledku zníženia obsahu vody v oleji kľukovej skrine, čo nie je v rozpore s výsledkami predtým vykonaných experimentov iných výskumníkov. Vo všetkých motoroch bola sedimentácia na povrchoch častí kľukovej skrine väčšia ako na povrchoch ventilových krytov.
Na motorových olejoch posilňovacích skupín „B“ a „C“ dochádza k sedimentácii časti spaľovacieho motora v kontakte s motorovým olejom sa vyskytuje intenzívnejšie ako s olejmi posilňovacích skupín „G“, čo potvrdilo množstvo štúdií.
V tejto práci sú štúdie usadenín na zrkadlách valcov maximálne počas prevádzky motora moderné oleje nebola vykonaná, môžeme však s istotou predpokladať, že pre skúmané motory nebudú väčšie, ako keď pracujú s olejmi nižšej kvality.
Výsledky získané o vzťahu medzi teplotnými zmenami v hlavných častiach motorov ZMZ-402.10 a ZMZ-5234.10 (piesty, valce, kryty ventilov a olejové kľukové skrine) a množstvo usadenín umožnilo identifikovať vzory v procesoch tvorby usadenín, lakov a usadenín na povrchoch týchto častí. Na tento účel boli výsledky aproximované funkčnými závislosťami pomocou metódy najmenších štvorcov a sú uvedené na obr. 3-5. Získané vzory procesov tvorby usadenín na povrchoch automobilových dielov karburátorové motory musia byť brané do úvahy a používané konštruktérmi a inžiniermi, ktorí sa podieľajú na vývoji a prevádzke spaľovacích motorov.
Motor auta funguje najlepšie len za určitých podmienok. Optimálny teplotný režim tepelne zaťažovaných častí je jednou z týchto podmienok a poskytuje vysokú technické údaje motora so súčasným znížením opotrebenia a usadenín a následne zvýšením jeho spoľahlivosti.
Optimálny tepelný stav spaľovacích motorov charakterizujú optimálne teploty povrchov ich tepelne zaťažovaných častí. Analýzou štúdií vykonaných na procesoch tvorby usadenín na častiach študovaných karburátorových motorov ZMZ a podobných štúdií na benzínových motoroch je možné s dostatočnou presnosťou určiť intervaly optimálnych a nebezpečných teplôt povrchov časti tejto triedy motory. Získané informácie sú uvedené v tabuľke. 2.
Pri teplotách častí motora v nebezpečnej nízkoteplotnej zóne sa zväčšuje hrúbka uhlíkových usadenín na povrchoch častí tvoriacich oxid uhličitý, čo vedie k vzniku detonačné spaľovanie zmesi paliva a vzduchu, ako aj nízke teploty Na povrchoch častí motora sa na nich zvyšuje množstvo usadenín z motorových olejov. To všetko narúša normálnu prevádzku motorov. Na druhej strane usadeniny vedú k prerozdeleniu tepelných tokov prechádzajúcich cez piesty a zvýšeniu teploty piestu v kritických bodoch - v strede horiacej plochy koruny piestu a v drážke VKK. Teplotné pole piestu motora ZMZ-5234.10, berúc do úvahy usadeniny uhlíkových usadenín a lakov na jeho povrchoch, je znázornené na obr. 7.
Problém tepelnej vodivosti bol vyriešený pomocou metódy konečných prvkov s použitím GI 1. typu získaného teplomeraním piestu pri menovitom výkone počas skúšok motora na skúšobnej stolici. Termoelektrické experimenty sa uskutočňovali s rovnakým piestom, pre ktorý boli vykonané predbežné štúdie teplotného stavu bez zohľadnenia usadenín. Experimenty sa uskutočňovali za rovnakých podmienok. Motor predtým bežal na stojane viac ako 80 hodín, po ktorých dochádza k stabilizácii karbónových usadenín a lakov. V dôsledku toho sa teplota v strede dna piestu zvýšila o 24 ° C, v oblasti drážky VKK - o 26 ° C v porovnaní s modelom piestu bez zohľadnenia usadenín. Teplota povrchu piesta nad VCC 238 °C je v nebezpečnej vysokoteplotnej zóne (tabuľka 2). Blízko nebezpečnej zóny vysokej teploty a hodnoty teploty v strede hlavy piesta.
Vo fáze návrhu a vývoja motorov sa mimoriadne zriedkavo berie do úvahy vplyv uhlíkových usadenín na teplo prijímajúcich povrchoch piestov a lakov na ich povrchoch v kontakte s motorovým olejom. Táto okolnosť v kombinácii s prevádzkou motorov vo vozidlách pri zvýšenom tepelnom zaťažení zvyšuje pravdepodobnosť porúch - vyhorenia piestov, koksovanie piestnych krúžkov atď.
N.A Kuzmin, V.V. Zelencov, I.O. Donato
Štátna technická univerzita v Nižnom Novgorode pomenovaná po. R.E. Alekseeva, oddelenie diaľnice Moskva - Nižný Novgorod
