Все примеси, которые попадают в двигатель с посту­пающим для сгорания воздухом, находящиеся в топливе или в масле, а также продукты износа деталей могут участвовать в образовании на них отложений. Количест­во и состав загрязнений зависят от конструкции, техни­ческого состояния, режима работы двигателя, своевре­менности и тщательности проведения технического обслуживания. Но особенно большое влияние на интенсивность образования высокотемпературных отложений оказывает качество сжигаемого топлива и применяемого масла. В стандартах, как на бензин, так и на дизельное топливо нормируются показатели, которые влияют на образование высокотемпературных отложений . Остано­вимся кратко на их рассмотрении.

В бензине и дизельном топливе в растворенном со­стоянии практически всегда содержатся смолистые и смолообразующие соединения, количество которых зависит от вида и состава топлива, технологии его получения и способов очистки. При хранении, особенно в неблагопри­ятных условиях (плохая герметизация резервуаров, на­личие в них осадков и воды, хранение при повышенной температуре), количество смол увеличивается, иногда значительно, тогда топливо темнеет, а в некоторых слу­чаях в нем накапливаются отложения. Более тяжелое по фракционному составу топливо, например дизельное, содержит большее количество смолистых соединений, что приводит к его неполному сгоранию и значительному накоплению нагаров на деталях двигателей.

Содержащиеся в топливе смолы откладываются в топливных баках, на стенках трубопроводов, забивают жиклеры карбюраторных двигателей. Смолистые соеди­нения накапливаются также на горячих стенках впускного коллектора карбюраторных двигателей, на соплах форсунок дизелей, на клапанах и днище поршня, в камере сгорания, в поршневых канавках и др. При большом на­коплении нагаров повышается износ двигателя, ухуд­шается процесс сгорания топлива, увеличивается его расход, а иногда двигатель полностью выходит из строя.

Различают смолы фактические, т. е. находящиеся в топливе в момент их определения в растворенном состо­янии, и смолообразующие вещества - различные нестой­кие соединения, например непредельные углеводороды, которые под действием времени, повышенной температу­ры, кислорода воздуха и других факторов переходят в смолы (их часто называют потенциальными смолами).

Стандартами нормируется содержание фактических смол . Сущность их определения заключается в испарении горячим воздухом определенного количества топлива при повышенной температуре (для бензина 150°С, дизельного топлива 250°С). Остаток, полученный после испарения, указывает на наличие фактических смол, ко­торое оценивают в миллиграммах на 100 мл топлива. Для бензина различных марок оно составляет до 7- 15 мг/100 мл, а для дизельного топлива - до 30-60 мг/100 мл.

Если содержание фактических смол отвечает требова­ниям стандартов, двигатели длительное время работают без повышенного смоло- и нагарообразования. Нередко при эксплуатации техники содержание смол в топливе значительно больше. Доказано, что если оно в два-три раза выше нормы, то моторный ресурс карбюраторного двига­теля снижается на 20-25%, а дизельного - на 40%. Кроме того, при эксплуатации возникают различные не­поладки: зависают клапаны, закоксовываются форсун­ки и т. д.

Склонность бензина к накоплению смолистых веществ (стабильность) оценивают индукционным пери­одом, который характеризует способность бензина со­хранять неизменный состав при правильных условиях перевозки, хранения и использования. Определяют этот показатель в лабораторной установке при искусствен­ном окислении бензина (температура 100°С в атмо­сфере сухого и чистого кислорода при давлении 0,7 МПа (7 кгс/см2). Индукционный период - это время в мину­тах от начала окисления бензина до активного поглоще­ния им кислорода. Для различных марок это значение находится в пределах 600-900 мин, а для бензинов со знаком качества оно составляет 1200 мин. Индукционный период большинства современных марок - не менее 900 мин. Как установлено исследованиями, такой бензин можно хранить до 1,0-1,5 лет, не опасаясь заметного ухудшения качества.

Для карбюраторных двигателей наиболее характер­но накопление смолистых отложений, которые обнару­живаются в бензоотстойниках, на деталях карбюратора. При образовании горючей смеси смолистые соединения не могут испаряться и откладываются во всасывающем трубопроводе и на клапанах. В результате клапан пере­стает закрываться и зависает. Эти смолистые отложения и вызывают различные неполадки в работе топливоподающей аппаратуры и двигателя.

Для дизелей особенно нежелательно отложение ла­ков и нагаров на соплах форсунок, нарушающих, нор­мальный распыл подаваемого топлива, а следовательно, и его сгорание. В стандартах на дизельное топливо кроме фактических смол нормируют коксуемость и золь­ность, повышенное содержание которых вызывает ин­тенсивное образование нагаров.

Большой вред (не только ускоренное образование на­гара, но и быстрый износ деталей топливоподающей ап­паратуры и двигателя в целом) наносят абразивные ме­ханические примеси , попадающие в двигатель с топливом и воздухом. По стандарту в бензине и дизельном топливе наличие механических примесей не допускается. Одна­ко при хранении, транспортировке, приемо-отпускных операциях топливо обычно загрязняется пылью и песком из окружающего воздуха. Даже в чистом по внешнему виду топливе почти всегда содержится какое-то количест­во примесей. Вместе со смолистыми и коксообразующими веществами эти посторонние включения приводят к увеличению высокотемпературных отложений. Кроме то­го, проникающие в двигатель пылинки ускоряют его из­нос.

Если в топливе содержатся абразивные механические примеси, то срок службы насоса высокого давления в за­висимости от загрязненности сокращается в пять-шесть раз. Абразив сокращает срок службы не только топли­воподающей аппаратуры . Когда в камеру сгорания поступает загрязненное топливо, механические примеси проникают в зазоры между поршневыми кольцами и гильзой цилиндра, что ведет к их повышенному износу, и как следствие - к падению мощности, ухудшению эко­номичности, необходимости преждевременного ремонта.

Двигатель современного автомобиля достаточно надежен и долговечен, чтобы при грамотной эксплуатации и своевременном техобслуживании "ходить" по 300-400 тыс. км и даже больше. Но как бы ни старались конструкторы и производители, а процессы старения и износа в двигателе неизбежны. Как и образование различных отложений.

Срок эксплуатации современного автомобиля достаточно продолжителен и составляет не менее 10-15 лет. Конечно, за это время весьма вероятны поломки и отказы отдельных деталей и узлов, т.е. резкие, скачкообразные изменения состояния двигателя. Но все же такое случается относительно редко, поскольку носит вероятностный характер. А вот процессы изменения размеров, физических и химических свойств деталей и компонентов происходят пусть медленно, но непрерывно.

Пока такие изменения не вышли за рамки допусков, заложенных конструкторами, потребительские качества двигателя остаются стабильными. Но вот один или несколько параметров оказались за допустимыми пределами.

В работе двигателя сразу возникают нарушения. Нет, об отказах или поломках пока речи нет. Но налицо нарушение работы отдельного компонента, пока еще не приводящее к потере им и, соответственно, двигателем работоспособности.

В отличие от отказов и поломок, относящихся к вероятностным явлениям, описываемые процессы происходят пусть в разной степени, но с абсолютно всеми двигателями. Причем определить, где и в каком месте возникли отклонения, часто намного сложнее, чем установить факт и причину очевидной поломки.

Износ или... отложения?

Начнем с самого неизбежного - износа. С ним приходится мириться, поскольку совсем остановить его нельзя. Хотя замедлить можно - достижения последних лет в материалах и технологии производства двигателей, в разработке моторных масел и фильтров в сочетании с неукоснительным соблюдением правил эксплуатации и обслуживания двигателя дают многочисленные примеры отдаления срока капитального ремонта далеко за 300 тысяч километров.

Получается, что об износе до поры до времени можно и не вспоминать. Поэтому, по крайней мере в течение 100-200 тыс. км пробега, на первый план выходят другие факторы, снижающие реальный срок службы двигателя. И прежде всего это образование различного рода отложений.

Об опасности отложений в системе смазки и картере двигателя, связанных с низким качеством, несоответствием сорта масла или несвоевременной его заменой, мы уже писали (см. "АБС-авто" 3/2000). В то же время отложениям, накапливающимся в топливной системе и впускном коллекторе, камере сгорания, выхлопной системе, не всегда придают значение, считая их чем-то второстепенным. Однако практика показывает, что их влияние на двигатель весьма существенно, а в некоторых случаях - и опасно. Именно об этом и пойдет речь.

Посмотрим на точки и компоненты в конструкции двигателя, в наибольшей степени подверженные накоплению отложений в течение всего срока эксплуатации. Одни из них на работу двигателя практически не влияют либо влияют незначительно. Другие, напротив, вызывают заметные отклонения в работе даже при относительно небольших отложениях. К таким критичным с точки зрения воздействия на двигатель компонентам относятся корпус дроссельной заслонки, тарелки впускных клапанов и, конечно же, форсунки.

Откуда берутся отложения?

Процессы образования отложений и их химический состав весьма различны в разных системах и устройствах. Например, образование отложений в распылительной части форсунок происходит в основном в течение первых 10-20 минут после остановки горячего двигателя, когда форсунки находятся под остаточным давлением топлива. Суть процесса заключается в следующем: пленка топлива, неизбежно остающаяся в зоне седла распылителя, начинает испаряться под действием высокой температуры. Легкие фракции бензина улетучиваются, а более тяжелые образуют слой твердых отложений. Их основным компонентом является углерод.

Отложения на тарелках впускных клапанов имеют более сложный состав. Так, низкокачественное топливо - причина смолистых отложений. Масло, проникающее через изношенные маслосъемные колпачки и зазор между стержнем и втулкой клапана, приводит к отложениям кокса: он образуется в результате высокотемпературного окисления масла, попадающего на горячую тарелку. Кстати, наиболее интенсивно процесс коксования клапанов идет на холостом ходу, движении с малой нагрузкой и при торможении двигателем, когда во впускном коллекторе создается максимальное разрежение.

Моторное масло способствует также загрязнению дроссельной заслонки и каналов регулятора холостого хода, поскольку продукты окисления и загрязнения масла выносятся во впускной коллектор через систему вентиляции картера.

Еще один компонент отложений - сажа. Причина ее образования - сгорание чрезмерно богатой топливовоздушной смеси на режимах холодного пуска, прогрева и ускорения. Попадание сажи в выхлопную систему может постепенно привести к забиванию каналов системы рециркуляции отработавших газов.

У двигателей, длительное время эксплуатирующихся в России, некоторые виды отложений превалируют. Это связано с использованием топлива и масла низкого качества. Именно поэтому двигатель, способный "там" прекрасно работать многие годы, "здесь" сравнительно быстро начинает "капризничать".

Иммунитет к... отложениям?

Нельзя сказать, что конструкторы двигателей забыли об отложениях и просто "умыли руки", переложив эти проблемы на потребителя. Напротив, за последние годы очень многое сделано для выработки двигателями своеобразного "иммунитета" к отложениям. Другими словами, многие узлы и системы у последних моделей двигателей стали малочувствительны к отложениям, т.е. последствия накопления отложений у них сведены к минимуму.

Например, системы топливодозирования уже давно являются адаптивными, т.е. позволяют подстраиваться (правда, в определенных пределах) под внешние условия. А что это за внешние условия? В первую очередь - накопление отложений в распылительной части форсунок. Такой же подход используется теперь в большинстве подсистем холостого хода. Появились и компоненты специальных конструкций - стойкие к отложениям форсунки и дроссельные заслонки с тефлоновым покрытием.

"Иммунитет" к отложениям, обеспечиваемый подобными непростыми и весьма дорогостоящими мероприятиями, сегодня необходим более чем когда-либо. Дело в том, что непрерывно ужесточающиеся требования к токсичности выхлопа, экономичности и удельной мощности прямо ведут к необходимости очень «тонкойЛ настройки двигателя и всех его систем. И получается, что чем современнее двигатель, тем более болезненно он реагирует даже на незначительное количество отложений.

Чем опасны отложения?

Все без исключения отложения объединяет одно - они негативно влияют на работу двигателя. Неудовлетворительные пусковые характеристики, неустойчивая работа на холостом ходу, пропуски воспламенения смеси, «провалыЛ при ускорении, повышенные расход топлива и токсичность выхлопных газов - вот далеко не полный перечень явных симптомов, вызванных появлением «недружественныхЛ образований во впускном тракте двигателя. Но хуже всего то, что эти отложения могут многократно ускорить износ двигателя и даже привести к отказам и поломкам его деталей и компонентов.

В самом деле, какая может быть связь между закоксовыванием форсунок и износом деталей, например, кривошипно-шатунного механизма или цилиндропоршневой группы? Самая прямая: в холодную погоду двигатель пускается не с первого раза, и чем ниже температура, тем больше приходится делать попыток запуска. Ну а каждая такая попытка - это работа сопрягаемых деталей в режиме полусухого или даже сухого трения, эквивалентная с точки зрения износа 20-40, а иногда и 100 км реального пробега.

Как очистить детали от отложений?

Думаем, что подобного примера вполне достаточно, чтобы осознать серьезность проблемы. Как ее можно решить? Первое, что приходит в голову, - просто снять загрязненные компоненты и их очистить химическим или механическим путем. Действительно, такой способ дает наилучшие результаты, но требует слишком много времени. Особенно, когда речь идет о сложных двигателях, в том числе многоцилиндровых. Кроме того, разборка и последующая сборка узлов и систем на современных автомобилях часто требует замены массы прокладок и уплотнительных элементов, которые не всегда лежат под рукой.

Более привлекательна технология безразборной очистки двигателя. Ее основу составляют специальные химические соединения - сольвенты, направленно действующие на конкретные виды отложений. А чтобы удалить отложения в заданной точке, требуется также определенная методика очистки и специальное оборудование. О том, какие сольвенты, методы очистки и оборудование применять в том или другом случае, мы расскажем в наших следующих материалах.

Основные места накопления отложений в двигателях:
1 - корпус дроссельной заслонки и регулятор холостого хода;
2 - впускной коллектор;
3 - топливная рейка;
4 - верхняя часть форсунки;
5 - распылительная часть форсунки;
6 - тарелка впускного клапана;
7 - камера сгорания;
8 - днище поршня;
9 - кислородный датчик;
10 - катализатор;
11 - каналы системы рециркуляций ОГ.

Основные изменения свойств в работающем двигателе происходят по следующим причинам:

высокотемпературные и окислительное воздействие;

механохимические преобразования компонентов масла;

постоянное накопление:

продуктов преобразования масла и его компонентов;

продуктов сгорания топлива;

воды;

продуктов износа

загрязнений, попадающих в виде пыли, песка и грязи.

Окисление.

В работающем двигателе горячее масло постоянно циркулирует и контактирует с воздухом, продуктами полного и неполного сгорания топлива. Кислород воздуха ускоряет окисление масла. Этот процесс происходит быстрее в маслах склонных к пенообразованию. Металлические поверхности деталей выступают в роли катализаторов процесса окисления масла. Масло нагревается, соприкасаясь с нагретыми деталями (в первую очередь, с цилиндрами, поршнями и клапанами), что значительно ускоряет процесс окисления масла. Результатом могут стать твёрдые продукты окисления (отложения).

На характер изменения масла в работающем двигателе оказывают влияние не только химические превращения молекул масла, но и продукты полного и неполного сгорания топлива, как в самом цилиндре, так и прорвавшиеся в картер.

Влияние температуры на окисление моторного масла.

Выделяются два вида температурного режима двигателя:

работа полностью прогретого двигателя (магистральный режим).

работа не прогретого двигателя (частые остановки автомобиля).

В первом случае наблюдается высокотемпературный режим изменения свойств масла в двигателе, во втором - низкотемпературный . Существует множество промежуточных условий работы. При определении уровня качества масла, моторные испытания проводятся как в высокотемпературном, так и в низкотемпературном режимах.

Продукты окисления и изменение характеристик моторного масла.

Кислоты (aсides). Наиболее существенными продуктами окисления масла являются кислоты. Они вызывают коррозию металлов, а на нейтрализацию образующихся кислот расходуются щелочные присадки, вследствие чего ухудшаются диспергирующие и моющие свойства и сокращается ресурс работы масла. Возрастание общего кислотною числа, TAN (totalacidnumber) является основным показателем образования кислот.

Углеродистые отложения в двигателе (carbondeposits). На горячих поверхностях деталей двигателя образуются разнообразные углеродистые отложения, состав и строение которых зависят от температуры поверхностей металла и масла. Различают три вида отложений:

нагар,

лак,

шлам.

Необходимо подчеркнуть, что образование и накопление отложений на поверхности деталей двигателя является результатом не только недостаточной окислительной и термической стабильности масла, но и недостаточной его моющей способности. Поэтому износ двигателя и снижение ресурса масла является комплексным показателем качества масла.

Нагар (varnish, carbondeposits) это продукты термической деструкции и полимеризации (crackingandpolymerisation) масла и остатков топлива. Он образуется на сильно нагретых поверхностях (450° - 950°С). Нагар имеет характерный черный цвет, хотя иногда может быть белого, коричневого или другого цвета. Толщина слоя отложении периодически изменяется - когда отложений много, ухудшается отвод тепла, повышается температура верхнего слоя отложений и они сгорают. Меньшее количество отложений образуется в разогретом двигателе, работающем по нагрузкой. По структуре, отложения бывают монолитными,плотными или рыхлыми.

Нагар оказывает отрицательное влияние на работу и состояние двигателя. Отложения в канавках поршня, вокруг колец, препятствуют их движению и прижиманию к стенкам цилиндра (заклинивание, залипание, прихватывание колец (ringsticking)). В результате заклинивания и затруднения движения колец, они не прижимаются к стенкам и не обеспечивают компрессию в цилиндрах, мощность двигателя падает, возрастает прорыв газов в картер и расход масла. Прижимание колец отложениями к стенкам цилиндра приводит к чрезмерному износу цилиндров (excessivewear).

Полирование стенок цилиндров (borepolishing) - отложения на верхней части поршней (pistontopland) полируют внутренние стенки цилиндров. Полировка препятствует удержанию и сохраняемости масляной пленки на стенках и значительно ускоряет скорость износа.

Лак (lacquer). Тонкий слой твердого или клейкого углеродистого вещества от коричневого до черного цвета, который образуется на умеренно нагретых поверхностях вследствие полимеризации тонкого слоя масла в присутствии кислорода. Лаком покрываются юбка и внутренняя поверхность поршня, шатуны и поршневые пальцы, стержни клапанов и нижние части цилиндров. Лак значительно ухудшает отвод тепла (особенно поршня), снижает прочность и сохраняемость масляной пленки на стенках цилиндров.

Отложения в камере сгорания (combustionchamberdeposits) образуются из частиц углерода (кокса), в результате неполного сгорания топлива и солей металлов входящих в состав присадок в результате термического разложения остатков масла попадающих в камеру. Эти отложения накаляются и вызывают преждевременное возгорание рабочей смеси (до появления искры). Такое зажигание называется преждевременным или калильным зажиганием (preignition). Это создает дополнительные напряжения в двигателе (детонация), что приводит к ускоренному износу подшипников и коленчатого вала. Кроме того, перегреваются отдельные части двигателя, снижается мощность, повышается расход топлива.

Засорение свечей зажигания (sparkplugfouling). Отложения, скопившиеся вокруг электрода свечи, замыкают искровой промежуток, искра становится слабой, зажигание - нерегулярным. В результате этого снижается мощность двигателя и повышается расход топлива.

Смолы, шлам, смолистые отложения (осадки) (resins, sludge, sludgydeposits) в двигателе шлам образуется в результате:

окисления и других превращений масла и его компонентов;

накопления в масле топлива или продуктов разложения и неполного сгорания;

воды.

Смолистые вещества образуются в масле в результате его окислительных превращений (сшивания окисленных молекул) и полимеризации продуктов окисления и неполного сгорания топлива. Образование смол усиливается при работе недостаточно прогретого двигателя. Продукты неполного сгорания топлива прорываются в картер двигателя при продолжительной работе на холостом ходу или в режиме стоп-старт. При высокой температуре и интенсивной работе двигателя, топливо сгорает полнее. Для уменьшения смолообразования и моторные масла вводятся диспергирующие присадки, которые предотвращают коагуляцию и осаждение смол. Смолы, углеродистые частицы, водяной пар, тяжелые фракции топлива, кислоты и другие соединения конденсируются, коагулируют в более крупные частицы и образуют в масле шлам, т.н. черный шлам (blacksludge).

Шлам (sludge) - это суспензия и эмульсия в масле из нерастворимых твердых и смолистых веществ от коричневого до черного цвета. Состав картерного шлама:

масло 50-70%

вода 5-15%

продукты окисления масла и неполного сгорания горючего, твердые частицы - остальное.

В зависимости от температуры двигателя и масла, процессы шламообразования несколько различаются. Различают низкотемпературный и высокотемпературный

Низкотемпературныйшлам (low temperature sludge). Образуется при взаимодействии в картере прорывных газов, содержащих остатки топлива и воды, с маслом. В не прогретом двигателе вода и топливо испаряются медленнее что способствует образованию эмульсии, которая впоследствии превращается в шлам.Образование шлама в картере (sludgeinthesump)является причиной:

возрастания вязкости (загустения) масла (viscosityincrease);

закупоривания каналов системы смазки (blockingofoilways);

нарушение подачи масла (oilstarvation).

Образование шлама в коробке распределительного механизма (rockerbox) является причиной недостаточной вентиляции этой коробки (foulairventing). Образовавшийся шлам является мягким, рыхлым, однако при нагреве (при продолжительной поездке)становится твердым и хрупким.

Высокотемпературный шлам (hightemperaturesludge). Образуется в результате соединения междусобой окисленных молекул масла под влиянием высокой температуры. Увеличение молекулярной массы масла приводит к повышению вязкости.

В дизельном двигателе образование шлама и увеличение вязкости масла вызывается накоплением сажи. Образованию сажи способствуют перегрузки двигателя и увеличение жирности рабочей смеси.

Расход присадок. Расход, срабатывание присадок является определяющим процессом снижения ресурса масла. Наиболее важные присадки моторного масла - моющие, диспергирующие и нейтрализующие, расходуются на нейтрализацию кислотных соединений, задерживаются в фильтрах (вместе с продуктами окисления) и разлагаются при высоких температурах. О расходе присадок косвенно можно судить по уменьшению общего щёлочного числа TBN. Кислотность масла повышается вследствие образования кислотных продуктов окисления самого масла и серосодержащих продуктов сгорания топлива. Они реагируют с присадками,щелочность масла постепенно уменьшается что приводит к ухудшению моющих и диспергирующих свойств масла.

Влияние увеличения мощности и форсирования двигателя. Противоокислительные и моющие свойства масла особенно важны при форсировании двигателей. Бензиновые двигатели форсируются путем увеличения степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала, а дизельные - увеличением эффективного давления (в основном при при помощи турбонаддува) и частоты вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения коленчатого вала на 100 оборотов в минуту или при повышении эффективного давления на 0,03 Мпа, температура поршня увеличивается на 3°С. При форсировании двигателей обычно уменьшают их массу, что приводит к увеличению механических и тепловых нагрузок на детали.

ПРОМЫВКА ДВС.

В процессе эксплуатации автомобиля, даже при использовании высококачественных моторных масел, на внутренних поверхностях двигателя и каналах системы смазки неизбежно образуются вредные углеродистые отложения. При замене масла некоторое количество старого отработавшего моторного масла также неизбежно остается во внутренних полостях двигателя. Поэтому, если свежее моторное масло заливать непосредственно после слива отработанного без предварительной промывки двигателя, моющие присадки вновь залитого масла сразу начнут активно растворять все эти отложения и загрязнения, оставшиеся в двигателе, что в свою очередь может привести к целому ряду крайне негативных последствий: в частности, к частичному забиванию масляного фильтра и, соответственно, снижению эффективности его работы, а также к преждевременнойcработке пакета присадок и утрате моющих свойств свежего моторного масла. Все это самым пагубным образом сказывается на ресурсе двигателя и его мощностных характеристиках. На сегодняшний день необходимость промывки системы смазки при смене моторного масла вполне очевидна, ни у кого не вызывает сомнений и не нуждается в каких-либо дополнительных обоснованиях. В камере сгорания бензинового двигателя, куда поступает топливо-воздушная смесь, происходит ее воспламенение, полное или частичного сгорание, в результате чего образуется нагар. Помимо этого, продукты неполного сгорания топлива являются причиной образования лакового налета на внутренних поверхностях двигателя. Далее большинство продуктов сгорания уходят через выхлопную систему, однако небольшая часть газов прорывается в картер и, соответственно, приходит во взаимодействие с моторным маслом. При этом происходит окисление и разжижение масла, образуются трудно растворимые продукты окисления, которые со своей стороны дополнительно способствуют образованию шлама и иных отложений. В дизельных двигателях, кроме того, вместе с топливом в камеру сгорания попадает сера. В результате окислительных реакций серы, в процессе сгорания топливо-воздушной смеси, образуются вредные отложения, следствием которых становятся коррозия и износ двигателя. Углеродистые отложения, образующиеся на внутренних поверхностях, каналах системы смазки и деталях двигателя, ведут не только к ухудшению теплоотвода, но и к заметному снижению адгезии масла по отношению к трущимся поверхностям, что, соответственно, ухудшает удержание масляной пленки на деталях двигателя в узлах трения.

Причины образования в двигателе отложений и нагара

Использование качественных масел не устраняет проблему закоксованности, поскольку налёт и нагар могут образовываться в моторе по причинам, не связанным с качеством горюче-смазочных:

1. Перегрев двигателя . В результате регулярного перегрева масло стареет быстрее, теряет вязкость и образует полимерные отложения в канавках под поршневыми кольцами, на стенках камеры сгорания, системы смазки и других деталей.

2. Эксплуатация в условиях низких температур . Образующийся при сгорании горючего водяной пар вступает в реакцию с холодным маслом, что приводит к образованию шламов в картере.

3. Городской режим эксплуатации . Короткие поездки и стояние в пробках. При такой эксплуатации двигатель не выходит на нормальный режим работы, и как следствие начинается карбонизация цилиндро-поршневой группы.

4. Несвоевременная замена масла приводит к резкому увеличению отложений, возникающих в следствие процессов его старения.

5. Износ турбокомпрессора , в результате которого в масло начинают попадать горячие выхлопные газы, и свойства масла изменяются.

6. Попадание антифриза в картер при разгерметизации системы охлаждения, что изменяет свойства масла и инициирует процессы его полимеризации.

7. Некачественное топливо . При неполном сгорании топлива, часть его попадает через кольца в картер двигателя и ускоряет процесс старения масла.

8. Образование избыточного количества сажи из-за слабой компрессии или позднего впрыска горючего в дизельных моторах.

Во время работы двигателя внутреннего сгорания в нём постоянно происходит , что приводит к их истиранию и износу двигателя. Каким бы масло не было и как часто вы его не меняете - износ будет. Для снижения трения в двигателях внутреннего сгорания применяются специальные меры - подача смазывающего материала к трущимся поверхностям или же его статическое нахождение в узлах трения (обычно это консистентная смазка в подшипниках качения). Смазывающим веществом в двигателе служит моторное масло, которое в большинстве случаев нефтяного происхождения. Масло подаётся в систему смазки под давлением, которое развивает шестерёнчатый (или другой тип насоса) насос. Масло поступает по каналам ко всем трущимся поверхностям снижая силу трения и охлаждая детали. Каналы в системе смазки имеют определённое сечение и производительность и чем выше эта производительность - лучше смазка и выше срок службы двигателя. Но чрезмерно большими каналы сделать нельзя, так-как это приведёт к снижению прочности, поэтому каналы имеют строгие геометрические параметры.

Если владелец автомобиля использовал некачественного моторное масло или нарушал интервалы его замены, то в двигателе ярче проявляется вредное явление - отложения грязи и нагара. Различного рода отложения сужают масляные каналы и снижают производительность системы смазки в целом, приводят к разбалансировки вращающихся деталей и масляному голоданию всех трущихся поверхностей, особенно тех, которые находятся на значительном удалении от масляного насоса (дальние коренные шейки и шатунные шейки, ГРМ) и к локальному перегреву деталей и узлов.

Отложения в канавках поршня вокруг колец препятствуют их движению и прижиманию к стенкам цилиндра (заклинивание, залипание, прихватывание колец). В результате заклинивания и затруднения движения колец, они не прижимаются к стенкам и не обеспечивают компрессию в цилиндрах, мощность двигателя падает, возрастает прорыв газов в картер и расход масла. Прижимание колец отложениями к стенкам цилиндра приводит к чрезмерному износу цилиндров.

Полирование стенок цилиндров - отложения на верхней части поршней полируют внутренние стенки цилиндров. Полировка препятствует удержанию и сохраняемости масляной пленки на стенках и значительно ускоряет скорость износа.

Отложения в камере сгорания образуются из частиц углерода, в результате неполного сгорания топлива и солей металлов входящих в состав присадок в результате термического разложения остатков масла попадающих в камеру. Эти отложения накаляются и вызывают преждевременное возгорание рабочей смеси (до появления искры). Такое зажигание называется преждевременным или калильным зажиганием. Это создает дополнительные напряжения в двигателе (детонация), что приводит к ускоренному износу подшипников и коленчатого вала. Кроме того, перегреваются отдельные части двигателя, снижается мощность, повышается расход топлива.

Изменение свойств масла в работающем двигателе

Основные изменения свойств в работающем двигателе происходят по следующим причинам:

1. высокотемпературные и окислительное воздействие;
2. механохимические преобразования компонентов масла;
3. постоянное накопление:

• продуктов преобразования масла и его компонентов;
• продуктов сгорания топлива;
• воды;
• продуктов износа
• загрязнений, попадающих в виде пыли, песка и грязи.

Окисление

В работающем двигателе горячее масло постоянно циркулирует и контактирует с воздухом, продуктами полного и неполного сгорания топлива. Кислород воздуха ускоряет окисление масла. Этот процесс происходит быстрее в маслах склонных к пенообразованию. Металлические поверхности деталей выступают в роли катализаторов процесса окисления масла. Масло нагревается, соприкасаясь с нагретыми деталями (в первую очередь, с цилиндрами, поршнями и клапанами), что значительно ускоряет процесс окисления масла. Результатом могут стать твёрдые продукты окисления (отложения).

На характер изменения масла в работающем двигателе оказывают влияние не только химические превращения молекул масла, но и продукты полного и неполного сгорания топлива, как в самом цилиндре, так и прорвавшиеся в картер.

Влияние температуры на окисление моторного масла.

Выделяются два вида температурного режима двигателя:

• работа полностью прогретого двигателя (магистральный режим).
• работа не прогретого двигателя (частые остановки автомобиля).

В первом случае наблюдается высокотемпературный режим изменения свойств масла в двигателе, во втором - низкотемпературный . Существует множество промежуточных условий работы. При определении уровня качества масла, моторные испытания проводятся как в высокотемпературном, так и в низкотемпературном режимах.

Продукты окисления и изменениехарактеристик моторного масла.

Кислоты (aсides). Наиболее существенными продуктами окисления масла являются кислоты. Они вызывают коррозию металлов, а на нейтрализацию образующихся кислот расходуются щелочные присадки, вследствие чего ухудшаются диспергирующие и моющие свойства и сокращается ресурс работы масла. Возрастание общего кислотною числа, TAN (total acid number) является основным показателем образования кислот.

Углеродистые отложения в двигателе (carbon deposits). На горячих поверхностях деталей двигателя образуются разнообразные углеродистые отложения, состав и строение которых зависят от температуры поверхностей металла и масла. Различают три вида отложений:

• нагар,

• шлам.

Необходимо подчеркнуть, что образование и накопление отложений на поверхности деталей двигателя является результатом не только недостаточной окислительной и термической стабильности масла, но и недостаточной его моющей способности. Поэтому износ двигателя и снижение ресурса масла является комплексным показателем качества масла.

Нагар (varnish, carbon deposits) это продукты термической деструкции и полимеризации (cracking and polymerisation) масла и остатков топлива. Он образуется на сильно нагретых поверхностях (450° — 950°С). Нагар имеет характерный черный цвет, хотя иногда может быть белого, коричневого или другого цвета. Толщина слоя отложении периодически изменяется — когда отложений много, ухудшается отвод тепла, повышается температура верхнего слоя отложений и они сгорают. Меньшее количество отложений образуется в разогретом двигателе, работающем по нагрузкой. По структуре, отложения бывают монолитными,плотными или рыхлыми.

Нагар оказывает отрицательное влияние на работу и состояние двигателя. Отложения в канавках поршня вокруг колец препятствуют их движению и прижиманию к стенкам цилиндра (заклинивание, залипание, прихватывание колец (ring sticking). В результате заклинивания и затруднения движения колец, они не прижимаются к стенкам и не обеспечивают компрессию в цилиндрах, мощность двигателя падает, возрастает прорыв газов в картер и расход масла. Прижимание колец отложениями к стенкам цилиндра приводит к чрезмерному износу цилиндров (excessive wear).

Полирование стенок цилиндров (bore polishing) — отложения на верхней части поршней (piston top land) полируют внутренние стенки цилиндров. Полировка препятствует удержанию и сохраняемости масляной пленки на стенках и значительно ускоряет скорость износа.

Лак (lacquer). Тонкий слой твердого или клейкого углеродистого вещества от коричневого до черного цвета, который образуется на умеренно нагретых поверхностях вследствие полимеризации тонкого слоя масла в присутствии кислорода. Лаком покрываются юбка и внутренняя поверхность поршня, шатуны и поршневые пальцы, стержни клапанов и нижние части цилиндров. Лак значительно ухудшает отвод тепла (особенно поршня), снижает прочность и сохраняемость масляной пленки на стенках цилиндров.

Отложения в камере сгорания (combustion chamber deposits) образуются из частиц углерода (кокса), в результате неполного сгорания топлива и солей металлов входящих в состав присадок в результате термического разложения остатков масла попадающих в камеру. Эти отложения накаляются и вызывают преждевременное возгорание рабочей смеси (до появления искры). Такое зажигание называется преждевременным или калильным зажиганием (preignition). Это создает дополнительные напряжения в двигателе (детонация), что приводит к ускоренному износу подшипников и коленчатого вала. Кроме того, перегреваются отдельные части двигателя, снижается мощность, повышается расход топлива.

Засорение свечей зажигания (spark plug fouling). Отложения, скопившиеся вокруг электрода свечи, замыкают искровой промежуток, искра становится слабой, зажигание - нерегулярным. В результате этого снижается мощность двигателя и повышается расход топлива.

Смолы, шлам, смолистые отложения (осадки) (resins, sludge, sludgy deposits) в двигателе шлам образуется в результате:

• окисления и других превращений масла и его компонентов;

• накопления в масле топлива или продуктов разложения и неполного сгорания;

• воды.

Смолистые вещества образуются в масле в результате его окислительных превращений (сшивания окисленных молекул) и полимеризации продуктов окисления и неполного сгорания топлива. Образование смол усиливается при работе недостаточно прогретого двигателя. Продукты неполного сгорания топлива прорываются в картер двигателя при продолжительной работе на холостом ходу или в режиме стоп-старт. При высокой температуре и интенсивной работе двигателя, топливо сгорает полнее. Для уменьшения смолообразования и моторные масла вводятся диспергирующие присадки, которые предотвращают коагуляцию и осаждение смол. Смолы, углеродистые частицы, водяной пар, тяжелые фракции топлива, кислоты и другие соединения конденсируются, коагулируют в более крупные частицы и образуют в масле шлам, т.н. черный шлам (black sludge).

Шлам (sludge) — это суспензия и эмульсия в масле из нерастворимых твердых и смолистых веществ от коричневого до черного цвета. Состав картерного шлама:

• масло 50-70%

• вода 5-15%

• продукты окисления масла и неполного сгорания горючего, твердые частицы — остальное.

В зависимости от температуры двигателя и масла, процессы шламообразования несколько различаются. Различают низкотемпературный и высокотемпературный

Низкотемпературный шлам (low temperature sludge). Образуется при взаимодействии в картере прорывных газов, содержащих остатки топлива и воды, с маслом. В не прогретом двигателе вода и топливо испаряются медленнее что способствует образованию эмульсии, которая впоследствии превращается в шлам.Образование шлама в картере (sludge in the sump)является причиной:

• возрастания вязкости (загустения) масла (viscosity increase);

• закупоривания каналов системы смазки (blocking of oil ways);

• нарушение подачи масла (oil starvation).

Образование шлама в коробке распределительного механизма (rocker box) является причиной недостаточной вентиляции этой коробки (foul air venting). Образовавшийся шлам является мягким, рыхлым, однако при нагреве (при продолжительной поездке)становится твердым и хрупким.

Высокотемпературный шлам (hightemperature sludge). Образуется в результате соединения междусобой окисленных молекул масла под влиянием высокой температуры. Увеличение молекулярной массы масла приводит к повышению вязкости.

В дизельном двигателе образование шлама и увеличение вязкости масла вызывается накоплением сажи. Образованию сажи способствуют перегрузки двигателя и увеличение жирности рабочей смеси.

Расход присадок. Расход, срабатывание присадок является определяющим процессом снижения ресурса масла. Наиболее важные присадки моторного масла — моющие, диспергирующие и нейтрализующие, расходуются на нейтрализацию кислотных соединений, задерживаются в фильтрах (вместе с продуктами окисления) и разлагаются при высоких температурах. О расходе присадок косвенно можно судить по уменьшению общего щёлочного числа TBN. Кислотность масла повышается вследствие образования кислотных продуктов окисления самого масла и серосодержащих продуктов сгорания топлива. Они реагируют с присадками,щелочность масла постепенно уменьшается что приводит к ухудшению моющих и диспергирующих свойств масла.

Влияние увеличения мощности и форсирования двигателя. Противоокислительные и моющие свойства масла особенно важны при форсировании двигателей. Бензиновые двигатели форсируются путем увеличения степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала, а дизельные — увеличением эффективного давления (в основном при при помощи турбонаддува) и частоты вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения коленчатого вала на 100 оборотов в минуту или при повышении эффективного давления на 0,03 Мпа, температура поршня увеличивается на 3°С. При форсировании двигателей обычно уменьшают их массу, что приводит к увеличению механических и тепловых нагрузок на детали.

Моторные масла «Автомобильные смазочные материалы и специальные жидкости» НПИКЦ, Санкт Петербург. Балтенас, Сафонов, Ушаков, Шергалис.