САГА О МАСЛЕ.
Отложения в двигателе: мифы и реальность.
Тенденции последних лет – увеличивать КПД двигателя при снижении расхода топлива и вредных выбросов – заставляют автопроизводителей экспериментировать, зачастую, не «в пользу» самого двигателя. Моторы стали более требовательными к качеству ГСМ. И более подвержены отложениям? Попробуем разобраться.
Традиционно выделяют три типа отложений [2]:
1) Высокотемпературные – нагары – встречаются в местах, где температура достигает 300 оС и выше (поверхность камеры сгорания):
Источник: https://autodela.ru
2) Среднетемпературные – лаки – образуются в узлах, где металл покрыт тонкой масляной пленкой, температура достигает 150-200 оС и выше (канавки и боковые поверхности поршней, зеркала цилиндров, детали под клапанной крышкой):
Присутствие лака ухудшает отвод тепла, ухудшает прочность масляной пленки.
Лак чаще выглядит как желто-коричневый тонкий твердый слой, покрывающий металл. Однако он может быть темным, несколько клейким.
На фото: лакообразование на внутренних поверхностях поршней
3) Низкотемпературные – шламы, осадки – результат образования смолистых соединений.
Они «склеивают» нерастворимые примеси и в таком виде оседают в масляном фильтре, узких масляных каналах, картере.
Шламы достаточно рыхлые и проще других отложений удаляются с поверхности:
На фото: шлам в поддоне картера. Источник: https://golf2mania.ru
Как образуются и из чего состоят отложения?
Обнаружив в двигателе значительное количество отложений, обычно говорят про некачественное моторное масло.
Однако, исследования показали, что масло является лишь одной и часто даже наименее значительной причиной образования отложений в двигателе, основные из них следующие [2]:
1) конструкция двигателя;
2) режим работы двигателя;
3) качество топлива;
4) условия эксплуатации (обслуживание);
5) качество моторного масла.
По первому пункту – конструкции двигателя – мы остановимся лишь на некоторых моментах, для более полной информации есть специальная литература по двигателестроению.
«Проблемные» двигатели известны, среди них встречаются моторы разных конструкций и даже обладатели премии «Двигатель года», здесь мы не будем их перечислять: если читаете эту главу, Вы, вероятно, уже имели с такими дело или пока еще только наслышаны рассказами владельцев и начитаны форумами в интернете.
Нагары.
В современных высокофорсированных двигателях проблема нагарообразования стала крайне актуальной вследствие их конструктивных особенностей и повышенной термонагруженности. Есть, как минимум, две проблемные зоны в плане нагарообразования: впускные клапаны (1) и зона поршневых колец (2):
Соскобленный нагар выглядит как черный сыпучий порошок, нерастворимый в большинстве органических растворителей:
Источник: https://zaz.kiev.ua/forum
Часто нагаробобразование называют «закоксовыванием», что не совсем точно. Кокс – это продукт термической обработки углеводородов без присутствия воздуха.
В коксах содержится 82-88% углерода, 10-15% золы, 0,5-1,8% серы [5].
Посмотрим на кокс в ИК спектре[1]:
Для сравнения, в ИК спектре нагара с впускного клапана ДВС присутствуют пики карбонилов и гидроксилов [4]:
В ИК спектрометрии принято выделять так называемую область «отпечатков пальцев» (fingerprint region, волновые числа 1500-500 см-1) – здесь расположены самые характерные пики. В ИК спектре нагара в данной области видим острый пик карбонильных групп 1200-950 см-1, а также пики кислородсодержащей металлорганики. Коксам такое не характерно (образуются без доступа кислорода!). Кроме того, у нагаров есть характерный для ОН-групп пик в области 3600-3200 см-1.
Откуда в нагарах ОН-группы? От присутствия воды. Часто упускается из вида, что из 1 кг топлива образуется около 1 кг воды. Большая часть, конечно же, испаряется. Но при «холодных» стенках цилиндров образуется конденсат. Другим источником воды является подтекание из системы охлаждения двигателя при прорыве прокладок головки цилиндров, наличии трещин в головке или блоке цилиндров [2].
Отличаются ли нагары различной локализации? Исследования показали, что ИК спектры образцов нагара, собранного с типичных мест – канавок под компрессионными кольцами, маслосъемными кольцами, с днища поршня, с клапанов, – содержат схожие полосы поглощения. Есть и отличия: под маслосъемными кольцами, по сравнению с компрессионными, меньше карбонильных групп (здесь меньше О2!) и больше гидроксильных -ОН (конденсат H2O на стенках цилиндров!), а на днище поршня возрастают пики С-О-, С-О-, С-О-М, М-О-М (в камере сгорания много О2!). В нагарах дизельных двигателей меньше карбонилов и ароматических соединений (за счет более полного сгорания). Во всех образцах содержание углерода находилось в диапазоне от 63 до 67% [6].
Таким образом, нагары в ЦПГ ДВС как дизельного, так и бензинового типов представляют собой не просто коксовые отложения. Это смеси полифункциональных (поли-окси-оксо) органических соединений, по-видимому, ковалентно связанных с поверхностной оксидной пленкой [6].
Механизм образования нагаров в различных зонах несколько отличается.
На фото ниже представлено состояние впускных клапанов двигателей с примерно одинаковым пробегом (около 60000км).
Распределенный впрыск:
Непосредственный впрыск:
Почему в двигателе с непосредственным впрыском есть нагар на впускных клапанах?
При распределенном впрыске топлива бензиновая смесь сначала попадает во впускной коллектор перед впускными клапанами, незадолго до их открытия. Здесь топливо смешивается с воздухом и уже в таком состоянии поступает в цилиндры через впускные клапаны.
В системе непосредственного впрыска топливо из форсунки распыляется прямо в камеру сгорания, а впускные клапаны запускают в нее только воздух. Это приводит к тому, что впускные клапаны не омываются топливом, отложения накапливаются, нарушается закрытие клапана, падает компрессия, двигатель начинает работать с перебоями, теряет мощность. Нагар может отслаиваться и сгорать в цилиндре, однако у машин, которые используются, в основном, для коротких поездок, впускные клапаны никогда не успевают нагреться, и углеродные отложения не сжигаются.
Если бы основной причиной нагарообразования на клапанах было некачественное топливо, мы бы не видели существенных отличий в двигателях с разной системой подачи топлива. Другой возможный источник углеводородных дериватов – масло – считается главным субстратом образования нагара на юбках и седлах клапанов. Масло на них попадает естественным образом во время эксплуатации, причем зачастую проблема связана не с качеством масла, а с неисправной работой маслосъемных колпачков. Если направляющие клапана или сами колпачки изношены, масло стекает по стеблю клапана и даже может попадать в камеру сгорания. При запуске двигателя масло сгорает, что сопровождается сизым дымом из выхлопной системы автомобиля. Через несколько минут масло в цилиндрах полностью сгорает, и дым исчезает. При этом образование нагара на клапанах и в камере сгорания неизбежно!
Некоторые автопроизводители перешли с выпуска двигателей с непосредственным впрыском на комбинированный (VAG EA888 Gen.3, Toyota 6AR-FSE и др.). Каждый цилиндр при этом обслуживают по две форсунки: одна в камере сгорания, вторая во впускном канале, за клапаном. В ненагруженных режимах работает первая (слева), при разгоне и на высоких скоростях — обе:
Другая «проблемная» зона – поршневые кольца. В частности, большое значение имеет конструкция маслосъемные колец:
Несмотря на работу маслосъемного кольца, часть масла все же остается на стенках цилиндров (это не только нормально, а необходимо для теплоотвода и снижения потерь на трение) и неизбежно становится участником процессов сгорания топливно-воздушной смеси, в виде испарившейся фракции или микрокапель:
Таким образом, явление «расхода масла» естественно для исправного двигателя. К сожалению, автопроизводители нормируют его в широких пределах, от 0,5 л на весь межсервисный интервал до 0,7-1,0 л (!) на 1000км пробега (в турбированных высокофорсированных двигателях). Единого мнения на данный счет нет, кроме одного: чем меньше расход масла, тем лучше.
Если дренажные отверстия маслосъемных колец «закоксовываются», циркуляция масла во внутреннюю полость поршня нарушается. Масло задерживается в зоне более высоких температур 200-300оС, горит с образованием отложений, и компрессионные кольца «залегают». Потеря их подвижности приводит к появлению задиров на стенках цилиндров и снижению компрессии. При этом, равно как и при использовании слишком вязкого моторного масла (изначально или ставшего густым со временем), расход масла значительно растет.
Такова наиболее распространенная теория, и может сложиться впечатление, что конструкция двигателя или качество масла играют в ней первые роли. Однако это не совсем так.
На каждом конкретном двигателе расход масла в не меньшей степени зависит от режима эксплуатации, качества топлива, технического обслуживания, кроме как от конструктивных особенностей.
Толщина масляной пленки в области поршневых колец 1-20 мкм. В пересчете на количество масла, это около 0,5 г. Несколько десятых миллилитра!
Инженерам-конструкторам известны эти цифры и, рассчитывая на низкую вязкость масла (текучесть) и его термостабильность, они предлагают в новых двигателях облегченные маслосъемные кольца – узкие, с небольшими отверстиями:
На фото: поршень двигателя 1.8 TSI CDAB. Источник: https://skoda-club.ru
Возникает вопрос, «виновно» ли масло в образовании здесь нагара?
Агрессивная реклама убеждает нас в том, что – да.
В частности, «зола» в нем вредна не только для систем очистки отработавших газов, но является причиной отложений! Поэтому якобы необходимо использовать «чистые» масла с пониженной зольностью. Однако, чаще всего смена масла лишь оттягивает неизбежный ремонт двигателя: масло не имеет решающего значения по сравнению с более важными факторами, влияющими на нагарообразование в камере сгорания двигателя.
Напротив, известно, что для базовых масел с высоким индексом
вязкости характерна высокая «коксуемость» и образование твердого нагара. В то время как у масел I-II групп по API отмечена невысокая «коксуемость» и склонность к образованию мягкого, чешуйчатого нагара [2]. Возможно, в связи с этим и сложилось мнение, что нагар образуется при сгорании масла.
Однако, механизм образования нагаров другой.
Заблуждение, что процессы сгорания топливно-воздушной смеси ограничиваются камерой сгорания. В зазоре поршневых колец также происходит горение топливно-воздушной смеси! Точнее, топливно-воздушно-масляной:
Неудивительно, что по результатам анализов масло здесь гуще и темнее, чем в картере. Это следствие окисления, потери легких фракций углеводородов базового масла, а также накопления сажи.
В зоне «отпечатков» пальцев» ИК спектров видим подтверждение [1]:
Синий – ИК спектр масла из картера. Красный – из зоны поршневых колец.
На представленных ИК спектрах обращают на себя внимание:
· окисленные углеводороды: пик 1800–1670 см-1;
· продукты нитрации: пик 1650–1600 см-1 ;
· продукты сульфатации: пик 1180–1120 см-1 [1, 8].
Следует отметить, что присутствие в отложениях нитратов – доказательство не просто тепловой деградации масла, а контакта с топливно-воздушной смесью (в воздухе содержится 78% азота).
Таким образом, механизм образования нагаров в первую очередь связан со сгоранием топливно-воздушной смеси. Большая часть топлива испаряется и полностью сгорает, однако некоторая часть – более высококипящие углеводороды, – не успевает испариться и в виде отдельных капелек или тумана окисляется в камере сгорания. Происходит конденсация, полимеризация и уплотнение продуктов окисления.
При наличии в зоне камеры сгорания и поршневых колец высококипящих углеводородов, избытка кислорода и недостаточных для полного сгорания температуре/давлении нагар образуется. Вне этих условий нагар выгорает!
Второе заблуждение связано с зольностью масел. Источник «золы» – это противоизносные присадки (ZDDP – Zn, P, S), детергенты (Ca, Mg, S), дисперсанты (в частности, бор). Другие компоненты, содержащие серу (например, базовые масла), также могут косвенно увеличивать зольность, так как являются источником оксидов серы, из которых образуются сульфатные соли.
На ИК-спектрограммах масел они проявляются в виде пиков:
· ZDDP: 1025-960 см-1;
· сульфаты: 1180-1120 см-1 ;
· соединения бора: более интенсивный пик 1370 cм–1, менее интенсивный пик 1080-900 cм–1
[1, 7, 8].
Есть ли остатки присадок в нагарах? На ИК спектре нагара с клапана –
диапазон 1300-900 см-1 перекрыт пиком карбонильных соединений. Следовательно, в сравнении с ними, «золы» в нагарах очень малое количество.
Что касается пиков металлорганики, элементный анализ [6] показал содержание в образцах нагара железа и алюминия. Логично предположить, что это связано с износом ЦПГ, а не зольностью масла.
Необходимо отметить, что рентгенофлуоресцентный анализ (XRF), кроме углерода, находит в отложениях некоторое количество кальция, цинка, фосфора: в литературе принято считать эти количества незначительными [1].
Любопытные результаты получены в исследованиях с использованием аппарата, объединяющего ATR (отражательная спектроскопия) и FTIR (ИК-спектроскопия). Он позволяет изучать поведение масла непосредственно в двигателе («in-situ»), например, в области поршневых колец [1]:
В частности, в масле зоны поршневых колец другое соотношение присадок! В сравнении с маслом в картере, концентрации соединений Са и ZDDP выше. Исследовались разные масла, минеральные и синтетические – у последних разница меньше. Сделано предположение, что концентрирование присадок происходит вследствие высокотемпературной потери части базы, в большей степени характерной для минеральных масел («испаряемость»).
Кроме того, выявлено разное соотношение данных изменений: концентрация элементов в зоне поршневых колец по сравнению с картерным маслом для Cа и Zn/P выше соответственно в 1,44 и 1,2 раза в минеральных маслах, в 1,2 и 1,1 раза в синтетических маслах [1].
Дело в том, что молекулы Ca-содержащих детергентов полярны и имеют большую молекулярную массу, поэтому остаются в смазке. У ZDDP испаряемость выше: при температурах более 100-150 оС из ZDDP образуются более мелкие молекулы полифосфатов цинка, которые играют роль модификаторов трения, что важно в данной зоне, но они и легче испаряются с поверхности [3].
Таким образом, небольшие количества продуктов деградации масла указывают на их участие в образовании нагаров, однако вклад этих продуктов в механизм образования высокотемпературных отложений явно преувеличен. Нагар – продукт сгорания углеводородов прежде всего, из топлива, в значительно меньшей степени – из масла.
Несмотря на то, что склонность различных масел к нагарообразованию колеблется в значительных пределах, это не имеет решающего значения по сравнению с более важными факторами: качество топлива, режим работы двигателя, регулярность технического обслуживания.
При высокой температуре поверхностей камеры сгорания, вызываемой работой при максимальной нагрузке, сгорание протекает полнее, так что сажа и другие твердые частицы выбрасываются в выпускную систему раньше, чем они успевают осесть в камере сгорания и «прилипнуть» к днищу поршня или головке цилиндра двигателя.
В новых двигателях, а также в двигателях, прошедших капитальный ремонт, сначала наблюдается быстрый рост нагара в камере сгорания, а затем наступает равновесное состояние (см. график ниже), в основном зависящее от режима работы двигателя. Рост нагара в камере сгорания продолжается до тех пор, пока температура днища поршня и головки цилиндра в результате изолирующего действия нагара не возрастет настолько, что новые порции нагара сгорают [2].
Это явление известно как «самоочищение камеры сгорания», оно экспериментально наблюдалось через кварцевое окно в головке цилиндра: окисление смолистой части нагаров сопровождалось ярким свечением [9].
Данные эксплуатационных испытаний свидетельствуют о том, что количество нагара в камере сгорания достигает максимума в течение первых 8 тыс. км пробега автомобиля (по другим данным, 10-12 тыс. км) и при дальнейшей работе двигателя изменяется незначительно [2, 9].
В данной ситуации нагар в камере сгорания обычно не приносит особого вреда. В противоположность случаям, когда он накапливается в таком количестве, что вызывает уменьшение мощности двигателя или способствует возникновению в нем детонации. Отложения занимают некоторый объем камеры, тем самым увеличивают степень сжатия и повышают требования к детонационной стойкости топлива.
Мягкие отложения (шламы).
В их составе обнаружены [2]:
· Масло 50%
· Вода 8%
· Сажа и углистые частицы 21%
· Смолистые вещества 10-20%
· Железо, кремний и др. 1%
В твердых осадках (нагары, лаки), к слову, содержатся те же компоненты, но в другом соотношении (много углерода, меньше содержание продуктов взаимодействия с водой и маслом). Причем, ни одна из перечисленных составных частей осадков не возникает из масла, а образуется в камере сгорания и затем, миновав зону поршневых колец, попадает в масло.
Вода – наименее желательная часть примесей и главная причина образования осадков.
Свежее масло и вода не смешиваются между собой. Однако при наличии в масле сажи, частиц износа и др. нерастворимых веществ с водой образуются мазеобразные эмульсии.
На данном этапе процессам осадкообразования противодействуют моющие присадки и дисперсанты, удерживая примеси в объеме масла во взвешенном состоянии (см. рис.).
Вода изменяет их эффективность. Например, если 1-2% сажи размешать в масле, содержащем моющую присадку, большая часть сажи останется взвешенной в масле даже после отстоя в течение нескольких дней. Если затем добавить к маслу небольшое количество воды и взболтать смесь, то значительная часть сажи быстро выпадет в осадок и масло вновь станет прозрачным [2].
Смолистые вещества – это липкие, лакоподобные продукты, действующие как связующие агенты и в результате коагуляции способствующие образованию осадков из продуктов загрязнения масла. Ранее считалось, что смолистые вещества образуются, главным образом, вследствие окисления масла. Однако исследования показали, что их образование происходит даже на самых «высококачественных» маслах, при определенных режимах эксплуатации. Не в режиме высоких температур (казалось бы!), а наоборот.
При работе двигателя на низких оборотах (низкой температуре стенок цилиндра) происходит конденсация прорывающихся из камеры сгорания веществ. Если в картере также поддерживается более низкая температура, чем требуется, и вентиляция картера двигателя недостаточно эффективна, вода и горючее, разжижающие масло, не испаряются. Несгоревшее топливо продолжает здесь окисляться, разлагаться, образуя смолистые вещества. Кстати сказать, на одном нефтехимическом заводе так и получают смолистые вещества для лаков и красок, в виде побочных продуктов термического крекинга нефти [2].
На данной стадии образующиеся осадки представляют собой мазеобразные вещества («шлам»). Продукты загрязнения постепенно накапливаются и, попадая вместе с маслом в такие части двигателя, в которых масло протекает сравнительно медленно или доступ масла к которым ограничен, выпадают там в виде отложений. Это относится к образованию осадков в клапанных коробках, коробках шестерен газораспределения, поддонах картеров, на фильтрующих элементах масляных фильтров, маслоприемниках и т. д. [2].
Моющие присадки действительно способны удерживать осадки во взвешенном состоянии, но не безгранично. Полстакана соли нельзя растворить в стакане воды, тогда как две-три ложки – можно. Также важно, что низкотемпературные осадки (шламы) – это эмульсии воды в масле, стабилизированные продуктами загрязнения. Поэтому моющие присадки должны иметь одновременно диспергирующие свойства. В этом плане практически не существует альтернативы сульфонатам кальция/магния (щелочное число TBN 400!).
Интересен анализ частиц из масляного фильтра:
85% соединения металлов, 15% соединения углерода, серы, кислорода и др. [1].
Таким образом, отложения в фильтрующих элементах, по большей части, представляют собой склеенные продуктами деградации углеводородов частицы износа – железо, алюминий, медь. Также присутствует небольшое содержание присадок из масла.
Учитывая механизм образования отложений в двигателе и знание их состава, можно сделать несколько выводов, важных для эксплуатации автомобиля.