Нагар в двигателе — что его вызывает, как его уменьшить?
Нагар — неприятное явление для водителей и причина более быстрого износа деталей двигателя. Что еще хуже, невозможно полностью устранить накопление этого вредного продукта сгорания топлива. Однако мы можем минимизировать наши потери.
Нагар: откуда это?
Твердый налет, появляющийся на стенках камеры сгорания и в цилиндро-поршневой системе нашего автомобиля, является отложением. Основная причина его образования в двигателях с непрямым впрыском- неточное сгорание топливно-воздушной смеси. С другой стороны, в случае прямого впрыска бензин идет прямо в камеру, не промывая впускные клапаны, так что на них оседает нагар. Это ограничивает доступ воздуха, что приводит к ненормальному сгоранию. Кроме того, серьезной проблемой является накопление нагара во впускном коллекторе автомобиля.
Хотя тема накопления нагара чаще всего возникает, когда речь идет о современных бензиновых двигателях с непосредственным впрыском и турбонаддувом, эта проблема на самом деле касается всех современных типов двигателей внутреннего сгорания: бензиновых, дизельных, с прямым и непосредственным впрыском. Как ни парадоксально, старые силовые агрегаты намного лучше справляются с отложениями нагара.
Эксплуатационные причины углеродных отложений
Мы описали процесс накопления углеродных отложений выше, но стоит расширить тему, включив в нее косвенные причины этого явления, связанные с использованием транспортных средств.
Здесь важную роль играет наш стиль вождения. Автомобили, эксплуатируемые в городском режиме, который мы преодолеваем на короткие расстояния, более подвержены проблеме накопления углерода. Этому способствуют низкие обороты, недогретый двигатель и недостаточно высокая рабочая температура. Современные двигатели, как безнаддувные, так и с турбонаддувом, имеют значительно более высокий крутящий момент в диапазоне низких оборотов, поэтому отложения не удаляются постепенно, как в случае с более старыми двигателями.
Кроме того, поездки на короткие расстояния, а также халатность, связанная с заменой масла, через некоторое время приводят к некорректной работе привода ГРМ. Это, в свою очередь, приводит к смещению фаз газораспределения, что в конечном итоге приводит к неполному сгоранию смеси. Неправильная работа системы зажигания — еще один источник этого явления. Низкие обороты и рабочая температура не позволяют свечам зажигания достигать температуры самоочистки, в результате чего на них также появляется нагар.
Редкие осмотры и сервисное обслуживание автомобилей добавляют еще один кирпичик к проблеме состояния нашей машины и некорректной работы привода. Масло, которое меняется редко теряет свои защитные свойства, что приводит к целому ряду проблем, не ограничиваясь наличием нагара. Также бывает, что неавторизованные мастерские вообще не используют компьютерную диагностику двигателя, а если и используют, то у них нет актуального программного обеспечения.
Какой ущерб может нанести нагар
Отложения углерода появляются во многих местах и могут привести к более быстрому износу деталей нашего автомобиля, таких как: клапаны двигателя, турбокомпрессор, впускной и выпускной коллектор, клапан системы рециркуляции отработавших газов, поршневые кольца, сажевый фильтр, каталитический нейтрализатор, гильзы цилиндров и заслонки завихрения дизельного топлива.
Нагар в двигателе: симптомы
Как мы можем диагностировать наличие нагара в нашем автомобиле? На это могут указывать различные типы симптомов. Если мы наблюдаем повышенный расход топлива, неравномерную работу двигателя, снижение мощности двигателя, это может указывать на этот вид поломки. Накопление углерода в двигателе может привести к проблемам в системе зажигания, включая выпадение свечей зажигания. При сервисном осмотре неправильный состав выхлопных газов и ошибки, возникающие при работе лямбда-зонда, также являются симптомами проблемы неправильного сгорания.
Как предотвратить накопление углерода
Управляя автомобилем в городских условиях, мы не можем кардинально изменить стиль вождения и «переключиться» на более высокие обороты. Следовательно, следует принять другие контрмеры.
Важный вопрос — уделить больше внимания замене масла в нашем автомобиле. Мы должны менять его один раз в год, если мы не превысим определенный пробег в течение 12 месяцев. Хотя чаще всего производители рекомендуют расстояние около 20000 километров, стоит подумать о замене масла каждые 15 или даже каждые 10000 километров — особенно в городских условиях, это защитит наш двигатель от накопления различных видов грязи, в том числе нагара. Благодаря этому мы также предотвратим накопление влаги в дизельном топливе.
Вторая полезная привычка для машины — это регулярные осмотры. Отправившись в мастерскую, мы сможем обезопасить себя от неприятных сюрпризов в будущем. Бдительный механик только с помощью компьютера может выяснить, работают ли катушки или термостат неправильно, что может привести к перегреву двигателя. Поэтому наше техническое обслуживание не должно ограничиваться одним элементом, например заменой фильтра, а должно осуществляться комплексным капитальным осмотром двигателя, включая обновление программы управления.
Как удалить нагар с двигателя
Однако, если у нас уже есть углеродные отложения к счастью, есть способы их устранить.
Промывка двигателя с использованием соответствующих специальных химикатов для удаления нагара — один из более простых методов решения проблемы. Эту процедуру мы выполняем при замене масла, поэтому ее несложно провести самостоятельно. Еще один способ, которым мы можем воспользоваться при посещении мастерской, — это так называемое гидрирование двигателя. Летучая смесь, вводимая в двигатель, повышает температуру выхлопных газов, что превращает шлам в газ и удаляет его вместе с выхлопными газами. Однако это очищает только камеру сгорания и выхлопную систему, а не весь двигатель.
Для транспортных средств, уже выявленных с серьезной проблемой углеродного загрязнения, единственным решением может быть демонтаж двигателя и очистка всех его частей. Это самый дорогостоящий из этих методов, но он также и наиболее эффективен и дает длительные результаты.
Профилактика — это самое главное
Лучше всего бороться с проблемой нагара заранее, осознавая причины его возникновения. Прежде чем отправиться в сервис для проведения дорогостоящей процедуры очистки, мы можем, например, заменить масло три раза подряд с короткими интервалами в 5000 километров. Это можно назвать «домашней промывкой» нашего двигателя.
Если есть такая возможность, стоит время от времени совершать поездки, которые позволят нам динамично управлять нашим двигателем на высоких оборотах и при высоких температурах. Это поможет удалить первые следы нагара.
ПРИЧИНЫ ОТЛОЖЕНИЙ В ДВИГАТЕЛЯX
1
Причины отложений в двигателях
При эксплуатации двигателей даже на качественных моторных маслах у клиентов иногда возникают проблемы, связанные с чистотой деталей двигателей, контактирующих с системой смазки. В данном информационном письме будут описаны возможные причины таких проблем.
Чистота двигателя это обязательное условие его длительной и безупречной работы.
Производители двигателей из года в год предъявляют требования к моторным маслам, которые должны обеспечить желаемый параметр. Новые стандарты на моторные масла, которые принимают каждые два-три года, все больше ужесточают контроль чистоты двигателя и его компонентов.
Однако, на практике, при разборке двигателя, работающего на дорогом, импортном масле, часто можно обнаружить толстый слой налета.
Ниже приведены возможные причины подобных проявлений:
- длительная работа двигателя при низкой температуре масла;
- существенное превышение рекомендуемых интервалов замены масла;
- изношенный турбокомпрессор;
- попадание антифриза в масло;
- выработка дизелем больших количеств сажи
Рассмотрим детально каждую из этих причин.
2
Причина первая. Перегрев
При кратковременном сильном перегреве двигателя, особых проблем с маслом не возникает, но, чаще всего, для водителя это оборачивается дорогостоящим ремонтом двигателя. В таких случаях фиксируются деформация головки блока цилиндров, прихват или обрыв поршней.
Небольшой перегрев не так заметен, но его последствия более плачевны. Из-за не корректно работающей системы охлаждения, (это может быть термостат, радиатор, помпа, указатель температуры), температура двигателя и масла может повышаться на 20-30 градусов.
При регулярных перегревах до не критических для конструкции температур, аварийной поломки не происходит и, зачастую, водитель не фиксирует факты перегрева.
Однако, при этом происходит быстрое старение масла и износ двигателя. При перегреве масла, его вязкость существенно снижается, и тем самым ухудшается уплотнение маслом поршней и поршневых колец, а значит, увеличивается количество газов, прорывающихся в картер. Скорость реакций окисления и нитрации масла напрямую зависят от температуры и концентрации реагентов. Концентрация кислорода, азота и продуктов сгорания в картере перегретого двигателя намного выше. Сильное окисление и нитрация масла приводят, в конечном итоге, к его полимеризации, образованию отложений на деталях двигателя в виде нагара (от оранжевого до темно-коричневого цвета). Мягкого шлама в поддоне картера обычно в таких случаях нет.
3
Причина вторая. Низкая температура эксплуатации
При неработающем термостате или частых коротких поездках с остановками двигателя, его температура не достигает рабочей номинальной величины. Топливо, сгорая в цилиндрах, образует комплекс продуктов сгорания и воду. При сгорании 1 литра бензина вырабатывается около 1 литра воды (при сгорании дизельного топлива — воды несколько меньше, а при сгорании газа больше). Основная масса воды, в виде пара, выходит через систему выхлопа, но небольшой процент попадает в картер двигателя.
При нормальной температуре двигателя (90-95ºС) пар через систему вентиляции и рециркуляции удаляется в атмосферу, а при низкой температуре — конденсируется на деталях двигателях, омываемых маслом. При таких условиях, масло с водой образует устойчивую гелеподобную эмульсию, которая захватывает на себя продукты износа двигателя, продукты сгорания топлива, образует кислоты. Это снижает моющий и диспергирующий потенциал масла.
Если при нормальном температурном режиме моющего потенциала хватает на длительные интервалы замены, то при снижении температуры способность масла содержать двигатель в чистоте сокращается в разы. Поэтому, в таких моторах наблюдаются обширные отложения шлама, особенно в картере, где самая низкая температура масла и высокая концентрация воды.
Определенная часть водителей ошибочно считает, что низкая температура мотора повысит его ресурс, и спохватятся только зимой, когда обогреватель не будет нагревать салон автомобиля или когда будет затруднен пуск двигателя из-за возросшей вязкости водо-масляной эмульсии.
Специфика такого шлама заключается в том, что очевидна его низкотемпературная природа. Судить об этом можно по его цвету: обычно он мутный (из-за воды) с желто-черным оттенком, а структура мягкая и однородная. Легче всего его можно обнаружить, не разбирая двигатель, на крышке заливной горловины или щупе контроля уровня масла.
4
Причина третья. Превышение интервалов замены масла
Здесь все просто. Любое масло рассчитано на определенный пробег в конкретном двигателе. Такой пробег, производитель двигателя устанавливает с учетом возможностей нефтехимии масел на момент его производства.
Учитывая, что технологии не стоят на месте, через несколько лет после выпуска автомобиля, стандарты, качество и потенциал масел улучшается, интервалы замены увеличиваются. Обычно водители этих тенденций не учитывают, опасаясь за непредвиденные последствия. Это правильная позиция, потому, что при увеличении интервала замены возникает большой риск износа или аварийной поломки. При превышении рекомендуемого интервала наработки, масло быстро утрачивает практически все свои свойства.
Самым заметным является рост или падение вязкости, увеличение расхода масла, рост коксуемости, быстрое образование твердых нагаров на поршнях и шламов во всей системе смазке. Процессы старения масла аналогичны тем, которые описаны в первой причине связанной с перегревом масла, однако, в данном случае, при двукратном превышении интервала наработки они проходят значительно медленнее.
Если подойти профессионально к обслуживанию двигателей, существенно увеличить интервал наработки масла, тем не менее, можно. Для этого требуется соблюдать три условия:
- Заправлять автомобиль качественным топливом на брендовых АЗС
- Использовать моторное масло высшего уровня качества известных производителей
- Контролировать изменение параметров масла в процессе его работы в двигателе
Выполнение этих условий позволит увеличить межсервисный интервал в 2-3 раза.
5
Причина четвертая. Износ турбокомпрессора
Конструкция турбокомпрессора такова, что уплотнение выхлопных газов от турбины осуществляется маслом, смазывающим пару “вал – втулка”. Даже при незначительном износе втулки, зазор между ней и валом увеличивается, и выхлопные газы просачиваются по валу в зону слива масла.
Такое просачивание вызвано тем, что давление масляного клина в изношенном подшипнике становится меньше, чем давление выхлопных газов на входе в турбину. Выхлопной газ при температуре около 100ºС смешивается с маслом в сливном канале, образуя высокотемпературный газо-масляный коктейль.
Понятно, что в таких условиях масло работать не может и попросту горит, а продукты его горения, окисления, нитрации и пиролиза выпадают в виде отложений коричневого цвета на деталях двигателя
6
Причина пятая. Попадание антифриза в масло
При попадании антифриза в масло, шлам приобретает бурый цвет. Такой внешний вид шлама может наблюдаться как в бензиновых, так и в дизельных двигателях. Причем, в бензиновых — цвет ближе к коричневому или рыжему, в дизельных — ближе к темно серому.
Причина такого шлама, вероятнее всего, кроется в антифризе, который регулярно попадет в моторное масло. Пути протечек известны и легко диагностируются. Однако, в случае незначительных утечек, дефект, чаще всего остается незамеченными, так как при малых расходах антифриза на долив, причины чаще списываются на не герметичность системы охлаждения (радиаторов и шлангов). Водители даже не подозревают, что антифриз попадает в масло.
При длительном систематическом попадании антифриза в картер двигателя через прокладку головки цилиндров либо трещину в системе охлаждения, происходит существенное ухудшение свойств моторного масла. При визуальном контроле уровня масла водитель на начальном этапе попадания антифриза, отклонений не замечает.
Здесь, важно отметить, широко распространенное заблуждение о том, что антифриз, в смеси с маслом, окрашивает его в мутновато — светлый цвет и легко диагностируется. На самом деле, при малых утечках, цвет не меняется поскольку, когда начинает меняться цвет масла концентрация антифриза достигает критических, с точки зрения нормальной работы двигателя концентраций (происходит снижение давления масла). Уровень антифриза в расширительном бачке быстро падает, и водитель предпринимает соответствующие шаги по ремонту двигателя.
При малой инфузии антифриза все вышеперечисленные проявления не наблюдаются, так как вода из смеси быстро испаряется, поэтому масло не мутнеет, а двигатель длительный период работает на смеси моторного масла и гликоля.
Возникает вопрос: что происходит с маслом и с двигателем в такой ситуации? Как известно, любой антифриз является смесью этилен/пропилен гликоля воды и присадок.
В двигателе вода, из маслогликолевой смеси, очень быстро испаряется через положительную вентиляцию картера. Этилен/пропилен гликоль коагулирует масла, придавая им свойства желеобразной субстанции, которая налипает на внутренних поверхностях двигателя.
Этот процесс очень медленный и продолжительный. Его скорость в первую очередь зависит от величины утечки антифриза в систему смазки двигателя. Единственно надежный способ диагностики подобного рода неисправностей это контроль параметров масла по наличию в нем антифриза и характерных присадок, которые характерны для охлаждающих жидкостей (это натрий, калий и бор).
В некоторых случаях подобную диагностику может провести сам водитель, обратив внимание на неоднородные субстанции на щупе масла или крышке заливной горловины. Однако точно и надежно эту проблему диагностируют только лабораторные испытания
7
Причина шестая. Шлам имеет насыщенный черный цвет и мягкую консистенцию
Такая картина может наблюдаться только в дизельном двигателе, и его причиной является чрезмерно большая концентрации сажи в моторном масле.
Сажа образуется в дизелях и является продуктом неполного сгорания дизельного топлива (атомарный углерод), которая при работе двигателя видна в виде черного дыма из выпускной системы. Часть сажи из камеры сгорания через цилиндропоршневую группу попадает в картер, где смешивается с маслом, после чего окрашивает его в черный цвет.
Иногда сажа может образоваться и в бензиновом двигателе при очень богатой топливной смеси. Но в таком случае, расход бензина существенно увеличивается.
Эволюция развития стандартов на моторные масла развивается по пути ужесточения требований к маслам, по способности удержания сажи в масле во взвешенном состоянии.
С каждым новым стандартом допускается все более высокий процент сажи. В настоящий момент, наивысшая концентрация сажи в масле, допускается в стандарте качества на моторные масла редакции 2009 года API CJ-4, на уровне до 6. 7%. При более высокой концентрации сажи, диспергирующие присадки масла более не могут удерживать сажу во взвешенном состоянии, так как их активность рассчитана на концентрацию сажи до 6.0%. Вследствие этого, часть свободной сажи коагулируется с маслом и осаждается на деталях системы смазки.
Важно понять причину аномально высокой концентрации сажи в масле. Их может быть две:
- Основная и наиболее частая причина высокой концентрации сажи — это неправильная работа топливной системы (очень поздний впрыск топлива, и/или низкая компрессия двигателя). Предельно высокая концентрация сажи в масле не характерна для дизельных двигателей грузовых автомобилей европейского производства и, обычно, составляет не более 3% при наработке двигателя на одном образце масла около 100 000 км. При таких концентрациях сажи в масле детали двигателя будут абсолютно чистыми.
- Вторая причина высокой концентрации сажи встречается реже — это большой пробег мотора на одной заливке масла. Для того, чтобы при нормально работающей системе впрыска топлива, в масле накопилось 6.
0% сажи, оно в грузовом автомобиле должно наработать около 150 000 км.
Накопление сажи вызывает серьезные проблемы с двигателем и другие проблемы.
Накопление сажи — Сажа не только вредна для атмосферы, но также может вызвать серьезные проблемы в двигателях, и к этому нельзя относиться легкомысленно.
Только 29% сажи, образующейся в двигателе, попадает в атмосферу через выхлопную трубу, а остальная часть осаждается на стенках цилиндров и днище поршня.
Из сажи, оставшейся в двигателе, и в основном в смазочном материале, 3 процента приходится на картерные газы, а оставшаяся часть образуется в результате соскребания поршневыми кольцами отложений сажи в цилиндре, которые попадают в поддон картера. Затем он перемещается по двигателю, где может откладываться на различных рабочих компонентах, снижая производительность и даже приводя к поломке.
Компания Techenomics, поставщик комплексных услуг по управлению жидкостями, предоставляет следующую информацию о прорывах газов и накоплении сажи, подготовленную руководителем австралийской лаборатории Сахаром Назари.
Существует ряд причин, по которым могут образовываться прорывы газов в различных сценариях, и понимание каждой из них влияет на техническое обслуживание вашего двигателя.
Холодный пуск:
Продувка влияет на количество захваченного воздуха. Из-за низких температур смазки при холодном пуске происходит расширение и сжатие различных компонентов двигателя, что влияет на зазор между поршневыми кольцами/гильзой и цилиндром. Когда зазор увеличивается, увеличивается вероятность потерь от прорыва картерных газов.
Начальная частота вращения коленчатого вала:
Чем ниже частота вращения коленчатого вала, тем больше времени имеется для потерь тепла и картерных газов. При очень низких оборотах двигателя температура сжатия ниже, чем при более высоких оборотах, и задержка воспламенения увеличивается. Эксперименты показывают, что существует минимальная частота вращения коленчатого вала, ниже которой запуск двигателя невозможен.
Эти ситуации подтверждают важность поддержания высокой скорости проворачивания коленчатого вала в условиях холодного пуска, даже несмотря на то, что это приводит к сокращению времени реакции до зажигания в районе ВМТ, что является эффективным средством достижения относительно высоких давления и температуры сжатия.
Как и в случае со степенью сжатия, снижение минимальной пусковой температуры может быть достигнуто для двигателей с увеличенным периодом запуска, что, скорее всего, потребует аккумуляторной батареи большей емкости. Напротив, всякий раз, когда условия пуска благоприятны, увеличение скорости вращения коленчатого вала не имеет большого эффекта.
Отказы из-за термического напряжения:
Отказы из-за чрезмерного термического напряжения являются частой причиной поломки двигателя в условиях высоких номинальных значений. В экстремальных условиях, таких как прогорание выпускных клапанов в результате прорыва выхлопных газов, прогорание днищ поршней или головок цилиндров в результате контакта с истечениями форсунок из камеры сгорания форкамерного типа, или в результате «детонации». ‘ при работе дизеля на бензине металлы могут удаляться в заметных количествах.
Ухудшение качества масла:
Смазочные материалы для дизельных двигателей могут ухудшиться по различным причинам. Они могут быть загрязнены углеродистыми частицами из-за неполного сгорания топлива, несгоревшего топлива, кислой воды из картерных газов, морской воды в судовых дизелях, продуктов окисления из смазочного масла, золы из присадок к смазочному маслу, металлических частиц из-за износа металлических деталей. , или от случайных веществ, таких как дорожная пыль. Вязкость может увеличиться из-за окисления масла, и она, безусловно, будет увеличиваться по мере увеличения содержания взвешенных маслонерастворимых веществ. Любые добавки будут израсходованы в процессе нормального использования.
Износ двигателя:
Износ может возникать на любых поверхностях, находящихся в относительном движении, т. е. на поверхностях подшипников поршня, отверстиях, кольцах, канавках, клапанном механизме, коренных и шатунных подшипниках. Тем не менее, важными проблемами износа, которые определяют, как долго двигатель может работать между капитальными ремонтами, являются: отверстие на верхнем пределе хода верхнего кольца; радиальный износ верхнего кольца с последующим увеличением кольцевого зазора и последующим прорывом газов; увеличение бокового зазора верхнего кольца из-за износа колец и канавок.
Этот износ может быть вызван абразивным воздействием отложений в двигателе или посторонних предметов, попадающих через воздухозаборник или сапун картера. Истирание от отложений в двигателе обычно увеличивается с увеличением суровости условий эксплуатации, однако это из-за посторонних примесей обычно не зависит от условий эксплуатации.
Для получения дополнительной информации о Techenomics International посетите www.techenomics.net или свяжитесь с Крисом Адсеттом, [email protected] ; в Индонезии Фредди, [email protected] ; в Юго-Восточной Азии Siti, siti@techenomics. com , в Монголии Tumee, [email protected] , в Австралии Jason Davis , [email protected] или в Африке Chris Adsett, c. [email protected].
Накопление сажи — щелкните здесь, чтобы загрузить этот выпуск в виде файла в формате pdf
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) продолжает принимать и обеспечивать соблюдение более строгих правил в отношении выбросов нитрооксидов (NOx) и углеводородов для дизельных двигателей большой мощности, используемых в грузовиках и автобусах.
Новая экологическая политика, подпитывающая постоянно увеличивающееся количество сажи в двигателе, означает хорошие новости для окружающей среды, но плохие новости для смазочных материалов. Копоть должна куда-то деться. Поскольку его выброс в воздух связан с респираторными заболеваниями, смазка должна служить «мусорным баком» системы сбора сажи, образующейся при сгорании.
Учитывая явный и бесспорный приоритет защиты качества воздуха и здоровья человека, мы, специалисты по управлению смазочными материалами, должны подготовиться к тому, чтобы свести к минимуму влияние этого нового законодательства на работу двигателя. Крупные производители двигателей определили отложение сажи и «черного шлама» как основную причину отказа двигателя.
При анализе масла мы должны быть уверены, что предоставляем соответствующую информацию для принятия правильных решений и обеспечения того, чтобы это важное снижение надежности двигателя находилось под контролем.
Для двигателей модели 2004 года и более поздних моделей Агентство по охране окружающей среды ввело новые жесткие стандарты, направленные на снижение выбросов NOx на 50% по сравнению с двигателями модели 1998 года. Агентство по охране окружающей среды ожидает, что новые стандарты сократят количество прекурсоров озона на 1,1 миллиона тонн в год, уменьшат количество кислотных дождей и сократят количество твердых частиц примерно на 43 000 тонн в год.
Таким образом, законодательство существенно снижает содержание загрязняющих веществ, которые, как считается, вызывают или усугубляют последствия широкого спектра легочных и респираторных заболеваний.
Сажа, состоящая из углерода на 98% по массе, образуется в процессе сгорания и попадает в картер с прорывом газов сгорания. Частицы сажи имеют форму, близкую к сферической, и имеют размер от 0,01 до 0,05 микрона, но имеют тенденцию к агломерации с образованием более крупных частиц.
Исследования частиц сажи показывают, что распределение частиц по размерам при нормальной работе варьируется, но в среднем составляет около 0,078 микрон с отклонением вправо из-за преобладания мелких частиц (см. рис. 1). Обычно сажа, образующаяся при сгорании, выходит через выхлопную систему двигателя.
Недавние правила, ограничивающие выбросы NOx и сажи, привели к использованию системы рециркуляции отработавших газов (EGR). Некоторые производители дизельных двигателей недавно заключили соглашение с Агентством по охране окружающей среды (EPA), результатом которого стало соглашение об уменьшении выбросов к октябрю 2002 года, в основном за счет внедрения новой технологии контроля выбросов, такой как EGR.
EGR по существу отправляет выбросы обратно в камеру сгорания, создавая возможность многократного проникновения сажи в смазку. Клапан рециркуляции отработавших газов регулирует количество рециркулируемых выхлопных газов. На холостом ходу рециркулируется около 70% отработавших газов, а при полной нагрузке рециркулируется только около 10-20%.
В то время как EGR действительно эффективно снижает выбросы NOx и сажи в атмосферу, можно ожидать, что содержание сажи в смазочном материале резко возрастет, что приведет к повышению температуры и вязкости, нарушению диспергируемости, загрязнению, отложениям и износу.
Чтобы справиться с влиянием правил EPA на смазочные материалы для двигателей, сокращается время цикла между обновлениями смазочных материалов для двигателей. API CH-4, самое последнее повышение качества смазочных материалов для четырехтактных дизельных двигателей большой мощности с ограниченными выбросами, вступило в силу 1 декабря 19 года.98, всего через четыре года после API CG-4, своего предшественника.
Производители двигателей уже подали заявку на лицензирование предлагаемой категории 9 (PC-9) в январе 2002 г., что ускорило ранее запланированный выпуск в 2004 г. и еще больше сократило цикл до трех лет. Проблемой, с которой сталкиваются производители смазочных материалов, являются разногласия среди производителей двигателей по теме квалификационных испытаний смазочных материалов. В настоящее время для квалификации ПК-9 предлагается семь испытаний двигателей и шесть стендовых испытаний. Это делает квалификацию смазочного материала очень дорогой и трудоемкой.
Помимо EGR, на уровень загрязнения двигателя сажей влияют многочисленные эксплуатационные факторы. Момент впрыска топлива, конструкция камеры сгорания, тип двигателя, эффективность продувки, засорение воздушного фильтра, соотношение воздух/топливо, низкая степень сжатия, чрезмерный холостой ход, рывки и т. д. — все это влияет на уровень сажи. Сажа попадает в смазку с отработавшими газами в виде картерных газов или осаждается на стенках цилиндров, а затем соскребается кольцами и осаждается в масле.
Повышение концентрации загрязнения сажей вызывает ряд проблем, обобщенных в Таблице 1. Нагрузка на диспергирующую присадку смазочного материала является одним из наиболее тревожных последствий увеличения содержания сажи. Частицы сажи притягиваются друг к другу (силами типа Ван-дер-Ваальса), агломерируясь, образуя более крупные частицы при столкновении, что представляет больший риск для системы.
Эти же силы вызывают отложение сажи на поверхностях машины. Задача диспергирующей присадки состоит в том, чтобы удерживать частицы сажи мелкодисперсными и не допускать их попадания на поверхности машины. Он работает, обволакивая частицу сажи одним слоем. Полярная головка молекулы диспергатора прилипает к частице, направляя «олеофильный» хвост добавки наружу для легкого растворения в масле (см. рис. 2).
Окружая частицу и растворяя ее хвост в масле, диспергирующая присадка удерживает частицу сажи в масле, предотвращая ее агломерацию с другими частицами сажи или осаждение на поверхности компонентов. Диспергирующая добавка обеспечивает однократную защиту. Как только он истощается, теряется дисперсность, что подвергает машину риску.
Рисунок 2 |
Исследования ясно показали, что сажа увеличивает вязкость масла. Повышенная вязкость приводит к более высоким температурам, более высоким затратам на перекачку и риску нехватки смазочного материала, особенно при запуске. На Рисунке 3 показано соотношение сажа/вязкость для различных базовых масел.
Высоконасыщенные базовые масла (группы API II, III и IV), как следует из исследований, лучше противостоят загустению сажи, чем базовые масла более низкого качества группы I, содержащие большее количество ненасыщенных молекул. Эти базовые масла Группы II, III и IV демонстрируют более позднее и менее значительное увеличение вязкости, чем базовые масла Группы I.
Исследования, проведенные Lubrizol, показывают, что концентрация диспергирующей способности также играет важную роль в уменьшении эффекта сгущения сажи. На Рисунке 4 показано увеличение вязкости (выраженное как кратное базовой вязкости нового масла в сСт при 100°C) по сравнению с различной концентрацией сажи для масел с дисперсностью 1,2% и 4,8% соответственно.
В другом исследовании Lubrizol оценил влияние различных нагрузок сажи на износ компонентов. Их результаты показывают, что увеличение содержания сажи не обязательно влияет на скорость износа (см. рис. 5), если показатели диспергируемости остаются хорошими.
При изучении износа толкателя роликов на двигателях с повышенным уровнем сажи исследователи обнаружили, что скорость износа носит спорадический характер и не связана систематически с уровнем сажи. И наоборот, они обнаружили, что уровень диспергатора значительно влияет на скорость износа.
В их исследовании истирание было определено как причина износа толкателя ролика и было связано с рассеиванием сажи. Исследование якобы устранило коррозионное воздействие и истирание, вызванное другими частицами, как возможные влияющие факторы.
Исследователи Lubrizol пришли к выводу, что износ вызван агломерацией и отложением сажи, вызванными потерей диспергируемости, а не высокой концентрацией сажи. Остается вопрос: должны ли аналитики планировать замену масла в зависимости от концентрации сажи или показателей диспергируемости?
Ответ, вероятно, оба. Чтобы быть уверенным, нам необходимо активизировать наши усилия по мониторингу сажи, но, по словам Лубризола, мы должны быть в равной степени заинтересованы в измерении характеристик диспергируемости, параметра, который обычно не включается в программу анализа масла для дизельных двигателей.
Измерение сажи и дисперсности
Исследование Lubrizol может привести к выводу, что измерение сажи не имеет значения и что усилия должны быть полностью сосредоточены на рассеивании. Это неправда. Концентрация сажи, особенно изменение концентрации, очень важны, поскольку они дают общее представление о состоянии процесса сгорания и выявляют аномальные прорывы газов.
Кроме того, когда диспергирующая способность эффективна, но содержание сажи высокое, другие загрязняющие вещества, такие как вода и гликоль, могут быстро снизить эффективность диспергирования без увеличения содержания сажи. Когда количество сажи высокое, эта внезапная потеря дисперсионной способности приводит к быстрой агломерации и отложению сажи на поверхностях машины. Аналитик должен учитывать эту взаимосвязь при реагировании на сигналы тревоги воды или гликоля в системах с высокой нагрузкой сажи.
Мониторинг состояния дизельного двигателя в будущем потребует повышенного внимания к измерению как концентрации сажи, так и показателей диспергируемости. Общие методы измерения характеристик сажи и диспергируемости рассмотрены ниже.
Измерение сажевой нагрузки
Измерение сажи может быть выполнено с использованием ряда различных методов. Ниже приведен общий обзор каждого:
Термогравиметрический анализ (ТГА)
Этот широко распространенный метод обеспечивает наиболее точную оценку концентрации сажи в процентах по массе. Испытание включает в себя постепенное нагревание образца в атмосфере, богатой азотом, с течением времени для испарения летучих фракций до тех пор, пока вес образца не выровняется, что обычно происходит при температуре около 600º C.
Затем азотная среда заменяется воздухом, а температура еще больше повышается, позволяя маслу окисляться до тех пор, пока вес снова не стабилизируется. Затем рассчитывают концентрацию сажи путем вычитания веса летучих компонентов золы из веса исходного образца. Хотя этот метод является точным, это строго лабораторный метод исследовательского уровня и очень дорогой, обычно стоит около 200 долларов за тест.
Инфракрасный анализ
Инфракрасный анализ стал очень популярным для измерения концентрации сажи. Результаты, по-видимому, очень хорошо коррелируют с ТГА, а этот метод является относительно недорогим, особенно с учетом увеличения количества лабораторий, которые теперь предлагают инфракрасный анализ с преобразованием Фурье (FTIR). Есть также несколько недорогих приборов для измерения сажи на месте.
По сути, сажа поглощает инфракрасную энергию. В отличие от многих параметров, измеряемых с помощью FTIR, сажа создает широкополосное изменение поглощения (сдвиг базовой линии). Таким образом, FTIR-инструменты обычно ищут сажу в диапазоне волновых чисел 2000. Эта область относительно свободна от помех со стороны других компонентов масла или загрязнителей, что делает измерение сажи относительно простым.
Основные помехи, связанные с этим методом, включают непропорционально увеличивающееся поглощение инфракрасной энергии по мере увеличения размера частиц сажи, а другие частицы, такие как грязь, также поглощают широкополосную инфракрасную энергию и при измерении неотличимы от сажи.
Тест на нерастворимые вещества
Этот тест включает отделение нерастворимых веществ от масла после его смешивания с различными растворителями, такими как пентан и толуол. Нерастворимые в пентане или толуоле вещества удаляют высокоскоростным центрифугированием или фильтрованием через мембранный диск. При центрифугировании нерастворимые вещества измеряются либо по массе, либо по объему.
При фильтрации вес нового фильтра вычитается из веса подготовленного фильтра для определения веса. Техника относительно недорогая и очень хорошо зарекомендовала себя. Главный недостаток заключается в том, что все нерастворимые вещества измеряются вместе, а не только сажа. Кроме того, на результат влияет выбранный растворитель. Если используется пентан, органические оксиды учитываются при измерении общего количества нерастворимых веществ. Толуол оставляет органические оксиды растворенными.
Измерение ослабления света (LEM)
Метод LEM, разработанный Analysts, Inc., заключается в том, что свет в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах пропускается через область объекта, содержащую объем нефти. Предполагается, что свет, затененный маслом, который измеряется падением напряжения на площади объекта, зависит от концентрации сажи. Этот метод предлагает простоту, низкую стоимость и количественный результат.
Основной недостаток заключается в том, что все, что блокирует или рассеивает свет, подлежит включению в оценку сажи (например, частицы, вода, пузырьки воздуха, нерастворимые побочные продукты окисления и т. д.).
Блоттерный метод
Для этого метода проб требуется всего одна или две капли масла на стандартной хроматографической бумаге. Нерастворимые вещества отделяются от масла и обеспечивают быструю визуальную идентификацию сажи. Кроме того, бумагу можно разбавлять в различных растворителях, чтобы получить представление о различных нерастворимых веществах, присутствующих в образце.
Блоттерный метод предлагает элегантную простоту, но не позволяет количественно определить концентрацию сажи. Однако наметанный глаз может оценить концентрацию при наличии достаточного опыта; тем не менее, любое количественное определение содержания сажи следует рассматривать как подозрительное.
Измерение дисперсии
В отличие от измерения концентрации сажи, где существует множество вариантов, измерение показателей диспергируемости представляет собой настоящую проблему для аналитика. Есть два способа подойти к этому вопросу: можно попытаться измерить концентрацию самой присадки-диспергатора или можно измерить характеристики диспергирования масла. Для рутинного анализа отработанного масла последний предлагает гораздо более многообещающее решение.
В то время как промокательный тест дает ограниченное значение для измерения концентрации сажи, он обеспечивает превосходную оценку характеристик диспергирования смазочного материала. Масло, которое надлежащим образом диспергирует сажу и другие нерастворимые вещества, образует промокательную пленку с равномерной градуировкой (см. рис. 6А).
Промокашка, указывающая на высокое содержание сажи, но даже градуировка говорит о том, что масло по-прежнему пригодно для эксплуатации, но следует внимательно следить за его деградацией (см. Рисунок 6B). Когда диспергируемость начинает снижаться, нерастворимые вещества начинают образовывать плотное кольцо на внешней стороне поглощающей капли масла, как показано на рисунке 6C.
Рисунок 6D показывает характерную плотную черную точку и острую периферию, которые образуются, когда нефть полностью теряет свои диспергирующие свойства. С точки зрения технического обслуживания, когда кольцо вокруг масляного промокателя начинает формироваться, пора задуматься о планировании слива.
Если позволить черной точке образоваться, ситуация будет проблематичной, поскольку недисперсная часть сажи, осевшая на поверхностях, не будет удалена при замене масла. Часто для эффективной очистки двигателя требуется несколько замен с частыми интервалами. Кроме того, если характеристики диспергирования ухудшаются необычно быстрыми темпами, следует провести более тщательный анализ характеристик сгорания и колец.
Рисунок 6. Промокашка A показывает хорошую диспергируемость, промокательная бумага B показывает высокую концентрацию сажи с незначительной диспергируемостью, промокательная бумага C показывает высокую концентрацию сажи и плохую диспергируемость, промокательная бумага D показывает плохую диспергируемость. |
В будущем программы анализа масла должны будут все чаще сочетать мониторинг содержания сажи и диспергируемости. Четкие пределы содержания сажи не установлены. Однако, по словам одного отраслевого эксперта, производители смазочных материалов должны будут информировать операторов о допустимых предельных значениях содержания сажи.
Предупредительный предел также должен быть установлен на уровне около 50% точки осуждения. В то время как характеристики диспергируемости будут играть все более важную роль в процессе упреждающего мониторинга состояния, чтобы гарантировать, что смазка работает должным образом, необходимо также тщательно отслеживать тенденции содержания сажи. Если диспергируемость внезапно выйдет из строя в сильно нагруженном двигателе, агломерация произойдет быстро, и будет уже слишком поздно.
Выводы
Поскольку правила EPA заставляли и будут продолжать заставлять смазку картера служить «мусорным баком» процесса сгорания, мы, занимающиеся анализом масла, должны реагировать более агрессивным и информативным мониторингом характеристик сажи и диспергируемости. Программа анализа моторного масла будущего должна сочетать рутинное измерение концентрации сажи с рутинным измерением характеристик диспергируемости.
Измерения одного или другого недостаточно, особенно если ваша организация стремится увеличить интервалы замены масла. Новые и усовершенствованные методы измерения концентрации сажи и показателей диспергируемости необходимы для анализа масла в лаборатории, на уровне склада и на месте, чтобы обеспечить надежность двигателя в соответствии с новыми строгими требованиями Агентства по охране окружающей среды по выбросам.
Каталожные номера:
1. Онлайновая справочная библиотека Lubrizol (1998 г.) «Новые стандарты выбросов для дизельных двигателей большой мощности».
www.lubrizol.com.
2. Desjardins, J. and W. Seifert (1994) «Сажа и ваш дизельный двигатель». Система смазки, материалы конференции Совместной программы анализа масла (JOAP).
3. Блокнот разработки PC-9, Infineum, 1999.