Особенности образования нагара и его последствия для дизельных
 двигателей при высокотемпературной эксплуатации

В эксплуатации дизельного двигателя при сгорании топлива, особенно российского производства, образуется сажа, сильно загрязняющая масло, поэтому отработанное масло имеет практически нулевую прозрачность. Количество моющих присадок в масле невелико, и эффект их присутствия быстро сводиться к нулю, после чего масло само становиться распространителем сажи по всему двигателю. В процессе работы двигателя образуется сажевые отложения на картере двигателя, что приводит к нарастающему ускорению старения масла, вызывая увеличение времени работы дизеля на масле с запредельным содержанием сажи.

Сажевые отложения не наносят непосредственного вреда двигателю, но сажа под воздействием высокой температуры имеет свойство спекаться. Эта особенность усиливается сгоранием масла, ускоренно выработавшего свой ресурс из-за запредельного содержания сажи.

Таким образом, сажевые отложения и продукты сгорания масла в процессе спекания образуют твёрдые нагарные образования, имеющие абразивные свойства и повышенную способность прилипать к деталям двигателя в зонах повышенных температур. Такие условия имеются в поршневой группе на маслосъемных кольцах, после чего процесс образования нагара переходит на компрессионные кольца и межкольцевые перемычки поршней. Кроме этого, нагар обладает абразивными свойствами, вызывающими износ цилиндров и особенно поршней, приводя к увеличению теплового зазора между цилиндром и поршнем. Этот процесс снижает параметры мощности, крутящего момента и экономичности дизеля и, как следствие, его ресурса.

Определяющим условием ресурса дизельного двигателя является вязкость масла, а именно отклонение её наблюдаемого значения от оптимального (например, W40) в допустимых пределах. При увеличении количества примеси сажи и смытых твердых отложений с картера увеличивается вязкость масла и соответственно прочность масляной пленки на разрыв (сдвиг) в зазоре между поверхностями. Этот процесс приводит к таким же механическим повреждениям, как при «масляном голодании».

Следующий из указанных процессов и обусловленный им вывод по поводу условий работы дизельного двигателя, прямо указывает на необходимость обеспечения чистоты внутри картера двигателя.

Очистка картера двигателя с помощью добавления в масло химических комплексов, усиливающих моющие свойства масла, опасна из-за быстрого размывания отложений с переходом их в масло. В результате резко увеличивается абразивная нагрузка на масляный насос и количество поступающих в него механических примесей.

Для производства очистки двигателя химический комплекс не должен действовать быстро, обеспечивая стабильную скорость размывания. Нагрузку по загрязнению эффективнее устранить аппаратными средствами, подключаемыми к двигателю.

Рассмотрим физико-химические процессы, приводящие к абразивным отложениям в дизельном двигателе, с появлением которых начинается стремительное изнашивание, сокращение срока эксплуатации дизельного двигателя.

Отложения на поверхностях деталей ДВС делятся на три основных вида – нагары, лаки и осадки (шламы).

Нагары – твердые углеродистые вещества, формирующиеся на поверхностях камеры сгорания (далее – КС) во время работы ДВС. Скорость образования нагаров зависит от температурных условий эксплуатации ДВС. Нагары оказывает существенное влияние на протекание процесса сгорания топливовоздушной смеси в ДВС. Почти все виды ненормального сгорания (детонационное сгорание, калильное воспламенение и проч.) сопровождаются нагарообразованием.

Лаки – продукты окисления тонких масляных пленок под действием высоких температур. Лаки растекаются и покрывают детали цилиндропоршневой группы (далее – ЦПГ) ДВС. Наибольший вред ДВС наносит лакообразование в зоне поршневых колец, вызывая процессы закоксовывания (залегания колец с потерей подвижности). Лакообразование на поверхности поршня, контактирующей с маслом, нарушает теплопередачу через поршень и ухудшает теплоотвод.

Осадки (шламы) – твёрдые частицы различной природы. Количество осадков (шламов), образующихся в ДВС, зависит от качества моторного масла, конструкционных особенностей и условий эксплуатации (температуры деталей) ДВС. Образование отложений этого типа наиболее заметно в условиях зимней эксплуатации, их количество возрастает при частых пусках и остановках ДВС.

В целях повышения показателей эксплуатационной надежности ДВС необходимо обеспечить снижение отложений нагаров, лаков и осадков на поверхностях их деталей, контактирующих с моторным маслом. В основе образования отложений лежат процессы старения масел (окисление углеводородов, входящих в состав масляной основы).

Определяющее влияние на процессы окисления масла в двигателях, образование отложений и эффективность работы ДВС в целом (выходные эффективные показатели, прочность материалов деталей, процессы изнашивания поверхностей деталей) оказывает тепловой режим теплонагруженных деталей ДВС. В этой связи необходимо знать пороговые значения температуры деталей ЦПГ в характерных точках (расположение которых показано на рис.1), поскольку превышение этих пороговых значений ведёт к указанным выше по тексту негативным последствиям.

Рис. 1. Характерные точки цилиндра и поршня ДВС при анализе их температурного состояниядля дизельных (а) и бензиновых (б) двигателей.

Максимальное значение температуры в точке 1 (в дизельных двигателях – на кромке КС, в бензиновых – в центре донышка поршня) не должно превышать 350-380°С. В противном случае происходит оплавление кромок КС в дизельных двигателях (прогар поршней в бензиновых двигателях) и образование нагара высокой твердости на огневой поверхности днища поршня. Нормальный температурный режим в точке 1 и объёмах деталей ДВС обеспечивается путём оптимизации формы деталей и правильной организацией охлаждения. При конструировании расчёт температурного режима ДВС проводится с учётом запаса прочности на возможность эксплуатации в экстремальных условиях.

Критическое значение температуры в точке 2: над верхним компрессионным кольцом поршня (далее – ВКК) – 250-290°С. При более высокой температуре моторные масла коксуются (происходит интенсивное лакообразование), что приводит к «залеганию» поршневых колец, то есть потере их подвижности. В результате существенно снижается компрессия, значительно увеличивается расход моторного масла.

Максимальное значение температуры в точке 3, расположенной симметрично по сечению головки поршня на его внутренней стороне, – 220°С. При более высокой температуре на внутренней поверхности поршня происходит интенсивное лакообразование. Лаковые отложения являются мощным тепловым барьером, препятствующим теплоотводу через масло. Это автоматически приводит к повышению температуры во всем объеме поршня и на поверхности зеркала цилиндра.

Критическое значение температуры в точке 4, расположенной на поверхности цилиндра, напротив места остановки ВКК, – 200°С. При более высокой температуре моторное масло разжижается, что приводит к потере стабильности образования масляной пленки на зеркале цилиндра и «сухому» трению колец по зеркалу. Это вызывает интенсификацию молекулярно-механического изнашивания деталей ЦПГ.

Мы рассмотрели вредное воздействие высоких температур на эксплуатационные показатели ДВС. Следует также иметь в виду, что и пониженная температура стенок цилиндра (ниже точки росы отработанных газов) способствует ускорению коррозионно-механического изнашивания деталей ЦПГ. Ухудшается также смесеобразование и уменьшается скорость сгорания топливовоздушной смеси, что снижает эффективность и экономичность работы ДВС, вызывая повышение токсичности отработанных газов. Также следует отметить, что при существенно заниженных температурах поршня и цилиндра сконденсированные водяные пары, проникающие в картерное масло, вызывают интенсивную коагуляцию примесей и гидролиз присадок с образованием осадков (шламов). Загрязняя масляные каналы, сетки маслоотстойников, масляные фильтры, они существенно нарушают нормальную работу смазочной системы.

На интенсивность процессов образования отложений (нагаров, лаков и осадков) на поверхностях деталей ДВС существенно влияет старение моторных масел: накопление примесей (в том числе воды), изменение физико-химических свойств масел, окисление входящих в их состав углеводородов.

Ухудшение фракционного состава чистого (залитого) масла по мере работы ДВС вызывается изменением масляной основы и процентного соотношения присадок по отдельным составляющим (парафиновым, ароматическим, нафтеновым). Основными причинами являются:

- процессы термического разложения масла в зонах перегрева (в клапанных втулках, зонах верхних поршневых колец, на поверхностях верхних поясов зеркала цилиндров), что приводит к окислению наиболее легких фракций масляной основы и их частичному выкипанию;

- проникновение неиспарившегося топлива в маслосборник картера (через зону поршневых уплотнений). Это происходит в период пуска и при резком увеличении подачи топлива в цилиндры при ускорении автомобиля;

- попадание воды, образующейся при сгорании топлива в КС цилиндров, в поддон картера или маслосборник ДВС.

Если система вентиляции картера действует достаточно эффективно, а стенки картера находятся в подогретом состоянии до 90-95°С, вода не конденсируется на них и удаляется в атмосферу. Если температура стенок картера существенно понижена, то попавшая в масло вода будет принимать участие в процессах его окисления. Количество сконденсировавшейся воды может быть значительным. Если считать, что только 2% газов могут проникнуть через все компрессионные кольца цилиндра, то через картер двигателя с рабочим объемом 2,0-2,5 л за каждые 1000 км пробега будет прокачиваться по 2 кг воды. Если 95% воды удаляется системой вентиляции картера, после 5000 км пробега на 4,0 л моторного масла будет приходиться около 0,5 л воды, которая при работе ДВС преобразуется антиокислительной присадкой в примеси: кокс и золу. Образовавшиеся частицы отложений выступают в роли катализатора, ускоряя разложение еще не окислившейся части масла. Если не провести своевременную замену моторного масла, процесс окисления будет проходить по типу цепной реакции с увеличивающейся скоростью со всеми вытекающими последствиями.

Мероприятия, препятствующие изменению состава масляной основы, существенно замедляют образование нагаров, лаков и осадков, а также снижают интенсивность изнашивания основных деталей ДВС.

В основе старения автомобильного моторного масла лежат процессы окисления, разложения и полимеризации углеводородов, которые сопровождаются загрязнением масла различными примесями (нагаром, пылью, металлическими частичками, водой, топливом и проч.). Процессы старения существенно изменяют физико-химические свойства масла, приводят к появлению в нём продуктов окисления и износа, ухудшают его эксплуатационные качества. Различают следующие виды окисления масла в ДВС: в толстом слое – в поддоне картера и масляном баке; в тонком слое – на поверхностях горячих металлических деталей; в капельном состоянии – в картере и клапанной коробке. Окисление масла в толстом слое даёт отложения в виде осадков (шламов), а в тонком слое – в виде лаков.

Окисление углеводородов в моторных маслах ДВС может идти по двум механизмам, представленным на рис.2. Результатом окисления по первому направлению являются кислые продукты, образующие при пониженных температурах отложения в виде осадков (шламов). Результатом окисления по второму направлению являются нейтральные продукты, из которых при повышенной температуре образуются лаки или нагары.

Рис. 2. Пути окисления углеводородов в нефтяном продукте (например, в моторном масле для ДВС).

Оксикислоты — органические кислоты, содержащие и гидроксильную, и карбоксильную группы. Обладают свойствами кислот и спиртов. Являются кристаллическими веществами, хорошо растворяются в воде. Оксикислоты плавятся при более высоких температурах и растворяются в воде лучше, чем соответствующие жирные кислоты. При нагревании легко выделяют воду, образуя циклические сложные эфиры. Оксикислоты делятся на два класса: оксикарбоновые и фенолокарбоновые кислоты. В оксикарбоновых кислотах гидроксильная группа находится в открытой углеродной цепи. В фенолокарбоновых кислотах гидроксильная группа непосредственно связана с ароматическим ядром.

Эстолиды представляют собой сложные эфиры, образующиеся при интерэтерификации высокомолекулярных оксикислот (при температуре 100-150°С) со снижением кислотного числа от 170-180 до 45-50. При этом молекулы оксикислот, соединяясь друг с другом, образуют полимерную цепочку. Эстолиды обладают выраженными смазочными свойствами. Дифенилоксид (дифениловый эфир) применяется для улучшения охлаждающей способности смазки. Трибутилфосфат (трибутиловый эфир фосфорной кислоты) служит антикоррозионной и антиокислительной присадкой.

Асфальтогенные кислоты – вещества коричневого (коричнево-серого) цвета, густой маслянистой или смолистой консистенции. По внешнему виду сходны с нейтральными смолами, отличаясь от последних кислым характером. Хорошо растворимы в спирте, бензоле, хлороформе, щелочах, плохо растворимы в бензине, петролейном эфире. Асфальтогенные кислоты и их ангидриды образуются при окислительной полимеризации оксикислот под действием кислорода воздуха; содержатся в небольших количествах в нефтяных битумах (в отличие от природных битумов, где их содержание может достигать 12%). При термическом воздействии (120°С) асфальтогенные кислоты переходят в ангидриды и далее в вещества, не реагирующие со щелочами.

Нейтральные смолы представляют собой вещества тёмно-красного цвета (плотностью около единицы), образующиеся в результате конденсации или окислительной полимеризации ароматических и нафтеновых углеводородов. Часть нейтральных смол – продукты окислительной полимеризации сернистых соединений. Смолы, выделенные из дистиллятов нефти, имеют жидкую и полужидкую

консистенцию; выделенные же из гудронов, представляют собой почти твердые вещества, обладающие значительной пластичностью. Нейтральные смолы хорошо растворяются в легком бензине, нефтяных маслах, петролейном эфире, бензоле, хлороформе, четыреххлористом углероде, эфире; нейтральные смолы нерастворимы в щелочах и кислотах. Смолы химически нестабильны. Под воздействием адсорбентов в присутствии кислорода (при нагревании и кислотной обработке) происходит окислительная конденсация нейтральных смол в асфальтены.

Асфальтены – наиболее высокомолекулярные компоненты нефти. Это твёрдые хрупкие вещества черного или бурого цвета, которые размягчаются в инертной атмосфере при 200-300°С с переходом в пластичное состояние. Основные физико-химические свойства: плотность – около 1,1 г/см3; средняя молекулярная масса – 1000-5000 а.е.м.; индекс полидисперсности – 1,2-3,5. Асфальтены растворяются в бензоле, сероуглероде, хлороформе, четырёххлористом углероде; не растворяются в парафиновых углеводородах, спирте, эфире, ацетоне. В состав молекул асфальтенов входят фрагменты гетероциклических, алициклических, конденсированных углеводородов, состоящие из 5-8 циклов. Асфальтены склонны к ассоциации с образованием надмолекулярных структур, представляющих собой «стопки плоских молекул». Термополиконденсация асфальтенов приводит сначала к образованию карбенов, затем карбоидов и кокса.

Карбены и карбоиды – группы органических веществ, входящих в состав нефтяных битумов (искусственных остаточных продуктов переработки нефти, имеющих твердую или вязкую консистенцию и состоящих из углеводородов и гетероатомных соединений). Карбены - высокомолекулярные вещества, образующиеся вследствие уплотнения асфальтенов в присутствии серы. Карбены растворяются в пиридине, сероуглероде. Карбоиды - вещества, нерастворимые в органических растворителях. Большое количество карбенов и карбоидов содержат битумы, получаемые окислением крекинг-остатков.

По данным литературных источников на основании ряда исследований выявлена температурная зависимость нагарообразования на поверхностях днищ поршней ДВС. Анализ результатов исследований свидетельствует, что при повышении температур днищ поршней ДВС от 100°С до 300°С твердость нагара повышалась от 0,5 до 4,0…4,5 баллов по стандартной шкале. Причина – спекание нагара при высоких температурах.

Рис. 3. Зависимость твердости нагара на поверхностях днищ поршней двигателей от температуры.

 Двигатель автомобиля работает с наибольшей эффективностью лишь при определенных условиях. Оптимальный температурный режим теплонагруженных деталей является одним из таких условий. Его соблюдение обеспечивает повышение показателей надежности, высокие технические характеристики с одновременным снижением износа и количества отложений.

Выводы:

1) решающее влияние на образование различных видов отложений: нагаров, лаков, осадков (шламов), на поверхностях деталей ДВС, контактирующих с моторным маслом, оказывает тепловое состояние ДВС. Тепловое состояние ДВС определяется конструкционными особенностями и режимом их эксплуатации.

2) существенное влияние на образование отложений в ДВС оказывает правильный выбор моторного масла. Для каждого конкретного двигателя важно придерживаться соответствия рекомендованного заводом-изготовителем моторного масла выбранному режиму эксплуатации ДВС (поддержанию оптимального температурного режима поверхностей деталей).

3) даже при оптимальной эксплуатации ДВС невозможно полностью предотвратить образование отложений. Для продления срока службы ДВС важно своевременно проводить раскоксовку. Наши специалисты разработали современную технологию раскоксовки ДВС и на практике доказали эффективность её применения (многочисленные примеры приведены на нашем интернет-сайте https://raskoksuem.ru/ в разделе «Наши работы»).